DE60319629T2

DE60319629T2 - Gebrauch von Helium/Stickstoff-Gasgemischen beim Schweissen von gestumpften Flanken

Info

Publication number: DE60319629T2
Application number: DE60319629T
Authority: DE
Inventors: Francis Briand; Karim Chouf; Philippe Lefebvre; Eric Verna
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: FR2840832B1; US6815635B2; EP1371446A1; CA2429853A1; DE60319629D1; ES2301765T3; CA2429853C; FR2840832A1; US20030230559A1; PT1371446E; JP2004017159A; ATE388786T1; EP1371446B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von zusammengefügten Kanten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die dazu vorgesehen sind, Kraftfahrzeugteile zu bilden, insbesondere von zusammengefügt Kanten bzw. angesetzten Seitenteilen, die nach dem Schweißen gepresst bzw. tiefgezogen werden müssen. Das Dokument WO 02/43918 A beschreibt ein solches Verfahren.
Das Laserstrahlschweißen ist ein sehr leistungsstarkes Verbindungsverfahren, da es im Vergleich zu anderen herkömmlicheren Verfahren wie etwa dem Plasmaschweißen, dem MIG-(Metall-Inertgas)-Schweißen oder dem WIG-(Wolfram-Inertgas)-Schweißen ermöglicht, mit hohen Geschwindigkeiten sehr große Eindringtiefen zu erreichen.
Dies lässt sich durch die hohen Leistungsflussdichten, die bei der Fokussierung des Laserstrahlenbündels auf Höhe der Trennebene der zu verschweißenden Teile durch einen oder mehrere Spiegel oder eine oder mehrere Linsen aufgeboten werden, beispielsweise Leistungsflussdichten, die 10⁶ W/cm² übersteigen können, erklären.
Diese hohen Leistungsflussdichten rufen an der Oberfläche der Teile eine starke Verdampfung hervor, die unter Abspannung nach außen einen fortschreitende Vortrieb des Schweißbades bewirkt und in der Dicke der Bleche, d. h. auf Höhe der Trennebene, zur Bildung einer engen und tiefen Dampfkapillare, die auf englisch "keyhole" (= Schlüsselloch) genannt wird, führt.
Diese Kapillare ermöglicht eine direkte Absetzung der Energie des Laserstrahlenbündels in der Tiefe des Blechs, und zwar im Gegensatz zu den herkömmlicheren Schweißverfahren wie etwa WIG-Schweißen oder gar MIG-Schweißen, wo die Absetzung von Energie auf die Oberfläche begrenzt ist.
Dazu können die folgenden Dokumente angeführt werden: DE-A-2713904 , DE-A-4034745 , JP-A-01048692 , JP-A-56122690 , WO 97/34730 , JP-A-01005692 , DE-A-4123716 , JP-A-02030389 , US-A-4.871.897 , JP-A-230389 , JP-A-62104693 , JP-A-15692 , JP-A-15693 , JP-A-15694 , JP-A-220681 , JP-A-220682 , JP-A-220683 , WO-A-88/01553 , WO-A-98/14302 , DE-A-3619513 und DE-A-3934920 .
Diese Kapillare ist aus einem Gemisch aus metallischen Dämpfen und Plasma aus metallischen Dämpfen gebildet, dessen Besonderheit ist, das Laserstrahlenbündel zu absorbieren und die Energie in der Kapillare selbst einzufangen.
Eine der Problematiken des Laserschweißens ist die Bildung eines Abdeckgasplasmas.
Tatsächlich kann das Plasma aus metallischen Dämpfen unter Einimpfung freier Elektronen in das Abdeckgas oder Schutzgas das Auftreten eines Abdeckgasplasmas auslösen, das für den Schweißvorgang nachteilig ist.
Das einfallende Laserstrahlenbündel kann dann durch das Abdeckgasplasma stark gestört werden.
Die Wechselwirkung des Abdeckgasplasmas mit dem Laserstrahlenbündel kann verschiedene Formen annehmen, jedoch äußert sie sich am häufigsten durch einen Effekt der Absorption und/oder Diffraktion des einfallenden Laserstrahlenbündels, was zu einer starken Verringerung der auf die Oberfläche des Ziels wirksamen Laserleistungsflussdichte führen kann und eine Verkleinerung der Eindringtiefe oder gar einen Verlust der Kopplung zwischen dem Strahlenbündel und dem Werkstoff und folglich eine momentane Unterbrechung des Schweißprozesses mit sich bringen kann.
Die Leistungsflussdichteschwelle, ab der das Plasma auftritt, hängt von dem Ionisationspotential des verwendeten Abdeckgases ab und ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Wellenlänge des Laserstrahls.
So ist es sehr schwierig, unter reinem Argon mit einem Laser des Typs CO₂ zu schweißen, während dieser Vorgang problemloser mit einem Laser des Typs YAG verwirklicht werden kann.
Im Allgemeinen wird als Abdeckgas beim CO₂-Laserschweißen Helium verwendet, das ein Gas mit hohem Ionisationspotential ist und es ermöglicht, sich vor dem Auftreten des Abdeckgasplasmas zu schützen, und zwar bis zu einer Laserleistung von wenigstens 45 kW.
Helium hat jedoch den Nachteil, ein Edelgas zu sein, wobei zahlreiche Laseranwender das Verwenden anderer Gase oder Gasgemische vorziehen, die preiswerter als Helium sind und dennoch das Begrenzen des Auftretens des Abdeckgasplasmas und folglich das Erhalten von Schweißergebnissen, die jenen, die mit Helium erhalten werden, ähnlich sind, ermöglichen, jedoch bei minderen Kosten.
So gibt es auf der kommerziellen Ebene Gasgemische, die Argon und Helium enthalten, beispielsweise das Gasgemisch, das 30 Vol.-% Helium enthält und der Rest Argon ist und das unter der Bezeichnung LASAL^TM 2045 von der Firma L'AIR LIQUIDE^TM vertrieben wird, und die ermöglichen, bei CO²-Laserleistungen unter 5 kW und vorausgesetzt, dass die hervorgebrachten Leistungsdichten nicht zu hoch, d. h. kleiner als etwa 2000 kW/cm², sind, im Wesentlichen dieselben Ergebnisse wie bei Helium zu erhalten.
Jedoch ist das Problem, das sich bei diesem Ar/He-Gemischtyp stellt, dass es für höhere Laserleistungs dichten nicht geeignet ist, da dann die Schwelle der Erzeugung des Schutzgasplasmas überschritten ist.
Im Übrigen betrifft ein anderes bekanntes Problem den wirtschaftlichen Aspekt des Schweißens von zusammengefügten Kanten bzw. Seitenteilen, die für den Kraftfahrzeugbereich vorgesehen sind.
Tatsächlich sind die Forderungen der Kraftfahrzeughersteller an das Schweißen von zusammengefügten Kanten derart streng, dass die zur Anfertigung dieser Schweißungen erforderlichen Investitionen sehr hoch sind.
Zusammengefügte Kanten sind Bauteile von Kraftfahrzeugen, die durch Durchgangsschweißung verbunden werden, d. h., dass die Schweißstelle die Dicke des geschweißten Teils vollständig durchdringen muss.
Unter Berücksichtigung ihrer gewöhnlich geringen Dicken von typischerweise weniger als 3 mm und durch den Autohersteller festgelegten hohen Schweißgeschwindigkeiten (> 7 m/min) werden zusammengefügte Kanten bzw. Seitenteilen bekannterweise durch Laserschweißung verbunden.
Die Laserschweißung ermöglicht das Erhalten von schmalen und tiefen Schweißnähten bzw. Schweißraupen, wobei die durch dieses Schweißverfahren wärmebeeinflussten Zonen auf die Nähe der Zone der Wechselwirkung mit dem Laser begrenzt bleiben, womit die Abmessungen der Zone, in der die Zink-Oberflächenbeschichtung verdampft wird, begrenzt werden.
Das Laserschweißen von zusammengefügten Kanten erfordert die Verwendung eines Schutzgases, das im Allgemeinen Helium ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Laserschweißverfahren vorzuschlagen, das ein Schweißgasge misch verwendet, das zum Schweißen von zusammengefügten Kanten geringer Dicke, die eventuell eine Zinkbeschichtung aufweisen und daraufhin geformt, insbesondere gepresst bzw. tiefgezogen, werden müssen, geeignet ist, wobei das Gas bei der Schweißung zum Bilden eines weniger heißen Metallplasmas führt, so dass eine widerstandsfähige Schweißnaht, d. h. eine Schweißnaht, die ohne Bruchstelle einen oder mehrere anschließende Press- bzw. Tiefziehschritte aushalten kann, erhalten wird, und das viel kostengünstiger als ein Schweißverfahren ist, das reines Helium verwendet.
Die Lösung der Erfindung ist ein Verfahren zum Schweißen von zusammengefügten Kanten, die aus einem Werkstoff gebildet sind, der hauptsächlich Stahl und Aluminium in einem Anteil von mehr als 0,015 Gew.-% enthält, das wenigstens ein Laserstrahlenbündel verwendet und in dem wenigstens eine Schweißnaht des Lochungstyps unter Verwendung eines Gasgemisches, das aus 30 bis 80 Vol.-% Stickstoff und für den Rest (bis 100%) aus Helium gebildet ist, um das Laserstrahlenbündel zu unterstützen, verwirklicht wird.
Im Rahmen der Erfindung ist mit "Schweißnaht des Lochungstyps bzw. Durchgangstyps" gemeint, dass die Naht die gesamte Dicke der zu verbindenden Bleche betrifft und dass sich ein Teil des Laserstrahlenbündels quer durch die Teile bewegt oder anders gesagt an der Rückseite der Schweißnaht herauskommt.
Der Mindestgehalt von 0,015% Aluminium in dem Grundmetall ermöglicht das Begrenzen der Bruchprobleme, die sich im Anschluss an die Schweißung insbesondere bei den Schritten der Formung der so geschweißten Teile, wenn diese aus Stahl mit hoher Elastizitätsgrenze (haute limite d'élasticité, HLE) sind, beispielsweise bei der Verformung der geschweißten Teile durch Pressen, stellen.
Tatsächlich ist der in dem Metall enthaltene Stickstoff in seiner "freien" Form eines der chemischen Elemente, das für diesen Effekt verantwortlich ist. Er trägt zum "Altern" der Stähle bei, indem er ihre Verformungsfähigkeiten verringert, was ein erstes Problem bei Blechen ist, die gepresst bzw. tiefgezogen werden müssen.
Um dieses Problem zu lösen, wird der Gehalt an Aluminium, aus dem der Basisstahl zusammengesetzt ist, erhöht, um so das Element Stickstoff zu binden, indem die Bildung von Aluminiumnitrid begünstigt wird. Der so durch Aluminium zu fixierende Stickstoff ist während der oben angeführten Verformungsschritte nicht mehr schädlich.
Deshalb führt im Verlauf des Schweißprozesses die Verwendung von Schutzgasgemischen, die mit Helium vermischten Stickstoff enthalten, nicht zu einer schädlichen Wirkung auf die Qualität der Schweißverbindung, solange der Gehalt des geschweißten Stahls an Aluminium hinreichend ist, um die Stickstoffmengen, die in den Werkstoff eindringen, zu binden.
Je nach Fall kann das Verfahren der Erfindung eine oder mehrere der folgenden charakteristischen Techniken umfassen:

– Der Grundwerkstoff der geschweißten Bleche ist ein herkömmlicher Press- bzw. Tiefziehstahl, der gemäß der Norm EN10130 definiert ist, ein Pressstahl mit hoher Elastizitätsgrenze (HLE), der eine Elastizitätsgrenze von mehr als 300 MPa besitzt und gemäß der Norm EN10149 definiert ist, oder ein einfach legierter Stahl gemäß der Norm NFA36232.
– Das Hilfsgas enthält 40 bis 70 Vol.-% Stickstoff, vorzugsweise 45 bis 60 Vol.-% Stickstoff.
– Der Laser ist vom Typ CO₂ und hat eine Leistung von 4 bis 10 kW, vorzugsweise von 6 bis 8 kW.
– Der Laser ist vom Typ YAG und hat eine Leistung von 1 bis 6 kW.
– Die zu verschweißenden zusammengefügten Kanten haben eine Dicke im Bereich von 0,4 bis 3 mm.
– Die zusammengefügten Kanten haben eine Metall-Oberflächenbeschichtung, die ihre Korrosionsbeständigkeit verbessert, insbesondere eine Zink-Oberflächenbeschichtung, die durch Galvanisation oder Elektroverzinkung erhalten worden ist.
– Die zu verschweißenden zusammengefügten Kanten sind stumpf zueinander angeordnet.
– Nach dem Schweißen erfahren die verschweißten Kanten wenigstens einen Formungsschritt.
– Nach dem Schweißen erfahren die verschweißten Kanten wenigstens einen Pressschritt. Ein Pressvorgang besteht darin, einem ebenen Blech oder einer ebenen zusammengefügten Kante bzw. einem angesetzten Seitenteil eine dreidimensionale Form zu verleihen, die durch Verformung des Blechs oder der zusammengefügten Kante mittels einer Presse, deren Matrizen die zu erzielende Form wiedergeben, erhalten wird.
– Die zusammengefügten Kanten sind aus einem Werkstoff derselben Sorte und unterschiedlicher Dicke oder Werkstoffen verschiedener Sorte und gleicher oder verschiedener Dicke gebildet.
– Die Schweißung erfolgt durch Einpunkt- oder Vielpunkt-Brennfleck (Stoß).
– Der Brennfleck ist kreisförmig oder länglich.
– Das Gasdurchsatz liegt im Bereich von 5 l/min bis 100 l/min.
– Die Düse, die das Gas verteilt, ist eine seitliche oder axiale Düse mit einem Durchmesser, der von 3 bis 30 mm geht.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Laserschweißverfahren für zusammengefügte Kanten gemäß der Erfindung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird verständlicher anhand der folgenden veranschaulichenden Beispiele und der beigefügten Figuren.
Beispiel 1: Auswirkungen einer Steigerung des Anteils von Stickstoff in dem Helium
1, die beigefügt ist, zeigt die Auswirkungen einer fortschreitenden Steigerung des Anteils an dem Helium beigemengten Stickstoff auf die Eindringung der Schweißnaht bzw. Schweißraupe beim Laserschweißen unter Verwendung der so erhaltenen Stickstoff/Helium-Gemische.
Genauer wurde zum Bewerten dieser Auswirkungen die Eindringung von Schmelzlinien bzw. Schmelzraupen gemessen, die mit einem CO₂-Laser verwirklicht wurden, der durch einen Parabolspiegel, der eine Brennweite von 200 mm besaß, auf die Oberfläche eines metallischen Ziels aus Kohlenstoff-Mangan-Stahl fokussiert wurde.
Das Schutzgas ist aus einem He/N₂-Gemisch gebildet. Der Stickstoffgehalt des Gemisches ist als Prozentsatz (Vol.-%) auf der Abszissenachse angegeben, wobei der Rest des Gemisches Helium ist. Das Gas wird in der Wechselwirkungszone durch eine seitliche Düse mit einer zylindrischen Form, einem Durchmesser von 12 mm und einem Durchsatz von 24 l/min verteilt.
Die Schweißgeschwindigkeit beträgt 3 m/min.
Aus 1 ist ersichtlich, dass die Eindringung der Schweißraupen auf dem Minimum liegt, das bei Laserleistungen im Bereich von 4 bis 12 kW beibehalten wird. In bestimmten Fällen wird eine Steigerung der Eindringung der Raupen in der Größenordnung von 5 bis 10% beobachtet. Diese Art von Ergebnissen ist auch dann reproduzierbar, wenn einer der obigen Versuchsparameter verändert wird.
Beispiel 2: Schweißen von galvanisierten zusammengefügten Kanten
Es wurden galvanisierte Bleche mit einer Dicke von 1,76 mm, die eine Zink-Oberflächenschicht von 8 μm aufwiesen, laserstrahlengeschweißt, wobei zum einen reines Helium und zum anderen ein Helium/Stickstoff-Gemisch gemäß dem Verfahren der Erfindung verwendet wurden.
Die CO₂-Laserleistung betrug 7 kW, die Brennweite betrug 200 mm und die Schweißgeschwindigkeit betrug 8 m/min.
Das Schutzgas war Helium bei der Schweißverbindung A und ein He/N₂-Gemisch, das aus 60% Helium und 40% Stickstoff gebildet war, bei der Schweißverbindung B (gemäß der Erfindung).
Das Gas wird in der Wechselwirkungszone durch eine seitliche Düse mit einer zylindrischen Form, einem Durchmesser von 12 mm und einem Durchsatz von 20 L/min veteilt.
Durch Vergleichen der an den verschweißten galvanisierten zusammengefügten Kanten erhaltenen Makrographien (2), mit reinem Helium (2a) oder vergleichsweise dem 60% Helium und 40% Stickstoff (2b) enthaltenden He/N₂-Gemisch, lässt sich feststellen, dass sie gleichbedeutend sind.
Anders gesagt, die mit einem He/N₂-Gasgemisch gemäß der Erfindung erhaltene Schweißverbindung ist zu jener, die mit reinem Helium erhalten wurde, gleichbedeutend, und zwar trotz des Vorhandenseins eines hohen Stickstoffgehalts in dem Gas und trotz des Vorhandenseins von Zink in der Oberfläche der Teile.
Im Übrigen ist ein Vergleich der Härten der so erhaltenen Schweißraupen A und B durchgeführt worden, wobei die Ergebnisse in der folgenden Tabelle 1 angegeben sind. Tabelle 1

Grundmetall Schweißraupe

Schweißverbindung A (Stand der Technik) 97 Hv100 ± 2 202 Hv100 ± 2

Schweißverbindung B (60% He + 40% N₂) 107 Hv100 ± 2 214 Hv100 ± 2
Diese Messungen wurden mit einem Mikrohärteprüfer des Typs BUEHELER MICROMET II Digital MicroHardness Tester durchgeführt. Die Eindrückung der Messung erfolgte mit einem Gewicht von 100 g, das für 15 Sekunden eine Kraft ausübte. Die angegebenen Werte sind Mittelwerte über 3 Messungen, die an den unter vollständiger Eindringung verschweißten Blechen in verschiedenen Zonen des Bleches (in der Nähe der Oberfläche, in der Mitte und in der Nähe der Rückseite) durchgeführt wurden. Hv100 ist die Messeinheit der Vickers-Härte oder Hardness Vickers; die auf Hv folgende Zahl bedeutet, dass das bei der Messung verwendete Gewicht 100 g betrug.
Bei den mit reinem Helium oder mit einem He/N₂-Gemisch verwirklichten Raupen werden ähnliche Härtewerte vorgefunden.
Dies bestätigt überraschenderweise, dass die Gegenwart eines hohen Stickstoffanteils in der Schweißverbindung (Schweißverbindung A) der Härte von dieser absolut nicht abträglich ist.
Ebenso ergeben Tiefziehfähigkeitstests nach Erickseen, die an den vorigen Schweißraupen durchgeführt wurden, ähnliche Ergebnisse (vergl. nachstehende Tabelle 2).

Tatsächlich betragen die Verformungswerte der Schweißraupe H_Soud wenigstens 70% von jenem des Grundmetalls H_MB. Tabelle 2

	Messung 1	Messung 2	Messung 3
Schweißverb. A (100% He)	H_Soud = 75% H_MB	H_Soud = 75% H_MB	H_Soud = 77% H_MB
Schweißverb. B (60% He + 40% N₂)	H_Soud = 72% H_MB	H_Soud = 75% H_MB	H_Soud = 72% H_MB
Schweißverb. C (80% He + 20% N₂)	H_Soud = 72% H_MB	H_Soud = 71% H_MB	H_Soud = 70% H_MB

In der Tabelle 2 sind auch die Ergebnisse angegeben, die im Fall einer Schweißverbindung (Schweißverbindung C), die durch Laserschweißen unter denselben Bedingungen wie die Schweißverbindungen A und B, jedoch unter Einsatz eines Gasgemisches gemäß der Erfindung, das einen Stickstoffanteil (nämlich 20% Stickstoff) enthielt, der geringer als im Fall der Schweißverbindung B war, erhalten wurde.
Das Verfahren der Erfindung kann dazu dienen, Karosserieelemente wie etwa Kotflügel, bewegliche Teile wie etwa Autotüren oder Motorhauben oder hydrogeformte Teile wie etwa rohrförmige Strukturen oder irgendein anderes ähnliches Element zu schweißen.

Claims

Verfahren zum Schweißen von zusammengefügten Kanten, die aus einem hauptsächlich Stahl enthaltenden Werkstoff gebildet sind, das wenigstens ein Laserstrahlenbündel verwendet und in dem wenigstens eine Schweißnaht des Lochungstyps unter Verwendung eines Gasgemisches, das Stickstoff und Helium enthält, verwirklicht wird, um das Laserstrahlenbündel zu unterstützen, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Aluminium in einem Anteil von mehr als 0,015 Gew.-% enthält und dass das Gasgemisch aus 30 bis 80 Vol.-% Stickstoff und für den Rest (bis 100%) aus Helium gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsgas vorzugsweise 40% bis 70% Stickstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser vom Typ CO₂ ist und eine Leistung von 4 bis 10 kW, vorzugsweise von 6 bis 8 kW hat oder der Laser vom Typ YAG ist und eine Leistung von 1 bis 6 kW hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsgas vorzugsweise 45 bis 60% Stickstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden zusammengefügten Kanten eine Dicke im Bereich von 0,4 bis 3 mm haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengefügten Kanten aus Stahl mit einer Antikorrosions-Metallbeschichtung bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengefügten Kanten aus Stahl mit einer Zink-Oberflächenbeschichtung bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schweißen die verschweißten Kanten wenigstens einem Schritt des Pressformens unterworfen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Stahl mit hoher Elastizitätsgrenze ist, wobei die Elastizitätsgrenze wenigstens 300 MPa beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Kraftfahrzeugs oder von Kraftfahrzeugelementen, bei dem ein Laserschweißverfahren für zusammengefügte Kanten nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt wird.