DE4443826C2

DE4443826C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mit Laserstrahlung

Info

Publication number: DE4443826C2
Application number: DE4443826A
Authority: DE
Inventors: Willi Dr Neff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2014-12-10
Also published as: DE4443826A1

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mittels Laserstrahl gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 10. Die Werkstücke, beispielsweise zwei längs einer Linie zu fügende, beliebig geformte Bleche, werden ohne besondere Kraftaufwendung so gehaltert, daß eine möglichst kleine Spaltweite längs der Fügelinie entsteht. Diese, durch die Herstellungstoleranz der Bleche bedingte Spaltweite, ist in der Regel größer als der durch den Fügeprozeß mittels Laserstrahlung vorgegebene Spielraum. Entsprechend der Erfindung wird die Spaltweite entlang der Fügelinie dadurch reduziert, daß z. B. mittels eines Stößels kurzzeitige Impulse auf die Werkstückoberfläche übertragen werden. Länge und Intensität der Impulse werden so bemessen, das mindestens eins der zu fügenden Werkstücke in einem möglichst schmalen, auf die Breite der Fügestelle angepaßten Bereich plastisch in Richtung des oder der anderen Werkstücke hin verformt wird, so daß das Fügen mit Laserstrahlung möglich wird.

Technische Anwendungsgebiete

Fügen von Blechen ohne die Notwendigkeit einer mechanischen Verpressung entlang der Fügelinie beispielsweise im Automobilbau.

Stand der Technik

Das Fügen von ebenen oder gekrümmten Blechen im Automobilbau entlang einer vorgegebenen Fügelinie erfolgt heute vorwiegend durch Widerstands- Punktschweißen. Der Ausgleich der durch Fertigungstoleranzen zwischen den Blechen vorhandenen Spaltweite erfolgt durch entsprechende Kraftaufwendung über die Schweißelektroden. Beim Einsatz von Laserstrahlung wird die Spalt weite durch aufwendige Haltevorrichtungen unter die für die Bearbeitung erfor derliche Toleranzgrenze reduziert. Oft ist dazu noch der zusätzliche Andruck durch eine oder mehrere Rollen erforderlich.

In der DE 34 07 770 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ver schweißen von Blechflanschen, insbesondere von Halbschalen eines Kraft stoffbehälters, mittels Laserstrahl offenbart, wobei die zu verschweißenden Blechflansche, angrenzend an die für die Schweißnaht vorgesehene Stelle, mittels Auflage und Niederhalter derart zusammengedrückt werden, daß sich an der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle eine spaltfreie Auflage der Blechflansche aufeinander ergibt. Zur weiteren Ausgestaltung dieser techni schen Grundidee wird in der DE 34 07 770 A1 vorgeschlagen, daß in wenig stens eines der zu verschweißenden Bleche an der für die Schweißnaht vorge sehenen Stelle und in Richtung der vorgesehenen Schweißnaht verlaufend, Vertiefung eingeprägt und der Laserstrahl entlang der sickenartigen Vertiefung geführt wird.

Entsprechend der Länge der Schweißnaht müssen für ein dauerndes Niederhalten entweder mehrere Auflage- und Niederhaltepunkte vorgesehen werden, oder es erfolgt eine statische Verpressung entlang der gesamten Schweißnaht durch einen geeigneten Spannrahmen, bestehend aus Auflage und Niederhalter. Alternativ ist auch eine Verschiebung von Auflage und Niederhalter entlang der Schweißnaht möglich, wozu in der DE 34 07 770 A1 vorgeschlagen wird, auf einem Grundgestell zwei Walzen anzuordnen und die zu verschweißenden Blechflansche bei feststehender Laserstrahl- Fokussiereinheit zwischen oberer und unterer Walze hindurchzubewegen.

Nachteilig an dieser Anordnung ist zum einen, daß das System aus Auflage und Niederhalter gemäß der Geometrie der zu verschweißenden Werkstücke ausgebildet sein muß. Für jede Serie von zu verschweißenden Werkstücken ist somit ein anderes System aus Auflage und Niederhalter erforderlich. Dies gilt entsprechend für die Variante mit den Walzen, da entsprechende Gestelle erforderlich sind, auf denen die Walzen bewegt werden können, damit die Blechflansche im Schweißbereich zusammengedrückt werden. Bei der Verwendung von Blechen mit einer sickenartigen Vertiefung ist darüberhinaus ein zusätzlicher Schritt der Blechvorbereitung erforderlich. Weiterhin nachteilig ist an dieser Anordnung, daß mit weiteren Maßnahmen sichergestellt sein muß, daß der fokussierte Laserstrahl in Schweißrichtung genau über der Sicke geführt wird.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mit Laserstrahlung anzugeben, mit denen eine Vorbereitung der zu verschweißenden Werkstücke vermieden und auf aufwendige Halte- und Verpressmaßnahmen verzichtet werden kann. Weiterhin sollen mit der Erfindung verschiedene Werkstückgeometrien verweißt werden können, ohne daß die Vorrichtungen konstruktiv geändert werden müßten.

Eine Lösung für das Verfahren ist in Patentanspruch 1 und eine Lösung für die Vorrichtung in Patentanspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Die besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegen in dem Prinzip der dynamischen Spaltweitenreduzierung im Bereich der Schweißstelle. Die Werkstücke, beispielsweise zwei längs einer Linie zu fügende, beliebig geformte Bleche, werden ohne besondere Kraftaufwendung so gehaltert, daß eine möglichst kleine Spaltweite längs der Fügelinie entsteht. Diese durch die Herstellungstoleranz der Bleche bedingte Spaltweite ist in der Regel größer als der durch den Fügeprozeß mittels Laserstrahlung vorgegebene Spielraum. Entsprechend der Erfindung wird die Spaltweite entlang der Fügelinie dadurch reduziert, daß mittels eines Stößels kurzzeitige Impulse auf die Werkstückoberfläche übertragen werden. Sind die Impulse zeitlich kurz genug, so bleibt die Lage des gesamten Werkstücks aus Gründen der Massenträgheit praktisch unverändert. Dagegen erfolgt im Bereich der Auftrefffläche des Stößels eine teils elastische und teils plastische Deformation des oberen Werkstücks in Richtung des unteren. Die Spaltweite wird dadurch auf der Fügelinie so stark verringert, daß das Fügen mittels Laserstrahlung möglich wird. Insbesondere genügt dabei eine einseitige Halterung des Werkstückes. Entlang der Fügelinie kann sowohl kontinuierlich geschweißt werden, indem die Impulse mit ausreichend hoher Frequenz und jeweils überlappend aufgebracht werden oder auch punktuell mit vorgegebenem Abstand. Insbesondere kann das Werkstück entlang der Fügelinie zunächst mit hoher Geschwindigkeit punktuell verschweißt (geheftet) werden, um in einem zweiten Arbeitsgang ohne zusätzliche mechanische Deformation eine kontinuierliche Schweißnaht herzustellen.

Die Einbringung der Impulse erfolgt vorteilhafter Weise in unmittelbarer Nähe zur Auftreffstelle des Laserstrahls auf dem Werkstück. Für die durch den Stößel zu erzielende Deformation kann es vorteilhaft sein, wenn z. B. durch den Laserstrahl eine Vorwärmung des Materials erfolgt.

Die Intensität der Impulse ist so zu bemessen, daß das untere Werkstück möglichst nicht deformiert wird. Mit der gleichen Methode kann auch die Reduktion der Spaltweiten erreicht werden, wenn mehr als zwei Bleche übereinander simultan gefügt werden sollen.

Da die Spaltweite längs der Fügelinie unterschiedlich groß sein kann, das zu fügende Material aufgrund der räumlichen Struktur unterschiedliche Steifigkeit besitzt, oder Werkstücke unterschiedlicher Dicke gefügt werden sollen, ist die Kombination des Verfahrens mit einer Regelung zur Impulssteuerung vorteilhaft. Dazu kann beispielsweise die Schallemission derart ausgewertet werden, daß der Kontakt der Werkstücke erkannt wird, die Kinetik des Stößels verfolgt werden, um die Steifigkeit des Materials und die Deformationstiefe zu ermitteln etc. Sofern der Stößel in unmittelbarer Nähe zum Auftreffpunkt des Lasers angebracht ist, können Re gelgrößen auch direkt aus der Prozeßkontrolle des Schweißvorgangs abgelei tet werden. Umgekehrt können aus den gemessenen Parametern am Stößel auch Regelgrößen für den Laser abgeleitet werden (Leistung, Zuführung von Zusatzmaterial etc.).

Erreichte Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik

Bei der konventionellen Fügetechnik mit und ohne Laserstrahlung ist durch die Verpressung der Werkstücke zu gewährleisten, daß die Spaltweite entlang der Fügelinie stets kleiner als die zulässige Toleranzgrenze ist. Dadurch werden enorm hohe Anforderungen an die Haltetechnik gestellt. Insbesondere ist in den meisten Fällen eine beidseitige Zugänglichkeit der Werkstücke für die Haltevorrichtung erforderlich.

Durch das hier beschriebene Verfahren wird dagegen mindestens eins der zu fügenden Werkstücke im Bereich der Fügelinie durch Impulsübertragung pla stisch so verformt, daß die Toleranzen im Fügespalt eingehalten werden kön nen. Durch die kurze Einwirkdauer des Impulses genügt die Massenträgheit der Werkstücke selbst zur Stabilisierung. Dadurch entstehen Vorteile derart, daß keine Haltevorrichtungen benötigt werden, die die Kraft aufbringen muß, um die Werkstücke selbst zu verformen oder eine Gegenkraft zur Impulsrich tung aufbringen. Dadurch wird auch die Fügung kompliziert geformter Werk stücke nur durch einseitige Fixierung der Teile möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Fig. 1-5 näher beschrieben. Die Beschreibung erfolgt für das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung, das Schweißen von Blechen mit Laserstrahlung. Es zeigen:

Fig. 1 Schweißen von Blechen im Überlappstoß

Fig. 2a Verschweißen von zwei Blechen mit Laserstrahlung bei zu großem Schweißspalt

Fig. 2b Verringerung des Schweißspaltes mit einem Stößel

Fig. 3 Grundprinzip des Einsatzes eines Stößels vor dem bearbeitenden La serstrahl

Fig. 4 Ausführungsformen des Stoßkopfes

Fig. 5 plastische Verformung von gefalzten Blechen

Ausführungsbeispiele

Die Form des zum Impulsübertrag verwendeten Stößels an der Stelle, an der der Kontakt mit dem Werkstück entsteht, sollte vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Dadurch kann durch eine zusätzlich zur axialen Bewegung überlagerte Drehung erreicht werden, daß durch den ständigen impulsartigen Kontakt mit dem Werkstück eine gleichmäßige Abnutzung und dadurch eine verlängerte Lebensdauer erzielt wird. Ist sie kugelförmig, so wird eine möglichst gleichmäßige Beanspruchung des Werkstücks erreicht, der Bereich, in dem die tolerierte Spaltweite eingehalten wird ist jedoch schmal. Wird die Kugelform am Ende abgeflacht oder ist die Form zylindrisch, dann kann über den Durchmesser der Stirnfläche dieser Bereich an die Erfordernisse des Schweißvorgangs angepaßt werden.

Der Antrieb des Stößels, was die Rotation oder die axiale Impulsübertragung betrifft, kann beispielsweise analog eines pneumatischen Bohrhammers erfolgen.

Die Energie, die bei kommerziell erhältlichen Schlagwerken in einem Puls erzeugt wird, liegt im Bereich von 0,2-40 J. Das ist ausreichend, um z. B. Bleche bis Dicken im Millimeterbereich zu deformieren.

Die Einwirkdauer der Impulse ist typisch einige Millisekunden, so daß das in der Regel mehrere Kilogramm schwere Werkstück als ganzes, aufgrund seiner Massenträgheit nicht ausgelenkt wird. Dadurch wird die plastische Verformung durch dynamisch wirkende Kräfte und nicht durch statischen Druck erzielt.

Die Repetitionsrate der Pulse kann beispielsweise zwischen 0 und 4000 Pulsen/min variiert werden. Mit einem Durchmesser der Stößelspitze von 0,5 cm, wäre damit bei kontinuierlicher Schweißnaht eine Schweißgeschwindigkeit bis zu 20 m/min erzielbar.

Die Lebensdauer solcher Schlagwerke liegt bei etwa 500 Arbeitsstunden.

Um eine Auswirkung der durch den Stößel erzielten Verformung des Werkstücks im Bereich der Fügelinie auf das gesamte Werkstück zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, durch geeignete Formgebung entlang der Fügelinie eine erhöhte Steifigkeit und dadurch eine Entkoppelung zu erzielen.

Bezugszeichenliste

1, 2 Bleche
3 Schweißlinie im Überlappstoß
4 Spalt beim Übereinanderlegen der Bleche
5 Laserstrahlung
6 Stößel
9 Stoßkopf

Claims

1. Verfahren zum Schweißen von zwei oder mehreren Werkstücken mittels Laserstrahl, mit Maßnahmen zur Verringerung der Spaltweite zwischen den Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eines der Werkstücke während des Schweißprozesses eine Impulsübertragung erfolgt, wobei die Länge und die Intensität der Impulse derart zu bemessen ist, daß wenigstens eines der Werkstücke eine elastische und/oder plastische Deformation in Richtung der Impulsübertragung erfährt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsübertragung mit hoher Frequenz erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die geometrischen Bereiche der Impulsübertragung für aufeinanderfolgende Impulse überlappen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Bereiche der Impulsübertragung voneinander einen vorgebbaren Abstand aufweisen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffort der Laserstrahlung und der Ort der Impulsübertragung unmittelbar nebeneinanderliegen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Fügelinie die zu fügenden Werkstücke derart vorgeformt werden, daß sie eine erhöhte Steifigkeit aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Werkstücke, die nicht einer unmittelbaren Impulsübertragung unterliegen, keine Deformation erfährt oder erfahren.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung zur Impulssteuerung vorgesehen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallemission bei Kontakt der Werkstücke ausgewertet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Laserstrahlquelle, sowie Einrichtungen zum Positionieren und Halten der zu fügenden Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß zur Impulsübertragung ein Stößel, der vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist, und eine Antriebseinrichtung, die den Stößel in axialer Richtung auf das dem Stößel zugewandte Werkstück bewegt, vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel zusätzlich zur axialen Bewegung eine Rotation ausführt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel einen kugelförmigen oder zylinderförmigen Stoßkopf aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Stoßkopf an der dem Werkstück zugewandten Seite eine Abflachung aufweist, die parallel zur Oberfläche des Werkstücks in dem Fügebereich verläuft.