EP2961560A1 - Verfahren zum aneinanderfügen von mit einer metallischen beschichtung versehenen platinen oder bändern aus stahl durch laserstrahlschweissen - Google Patents

Verfahren zum aneinanderfügen von mit einer metallischen beschichtung versehenen platinen oder bändern aus stahl durch laserstrahlschweissen

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Publication number
EP2961560A1
EP2961560A1 EP14704284.0A EP14704284A EP2961560A1 EP 2961560 A1 EP2961560 A1 EP 2961560A1 EP 14704284 A EP14704284 A EP 14704284A EP 2961560 A1 EP2961560 A1 EP 2961560A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weld
focus
welding
laser
laser beam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14704284.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Alber
Kai Leibold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wisco Lasertechnik GmbH
Original Assignee
Wisco Lasertechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wisco Lasertechnik GmbH filed Critical Wisco Lasertechnik GmbH
Publication of EP2961560A1 publication Critical patent/EP2961560A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B23K26/0732—Shaping the laser spot into a rectangular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/34—Coated articles, e.g. plated or painted; Surface treated articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for joining together provided with a metallic coating blanks or strips of steel by laser beam welding, in which the blanks or strips without prior removal of the
  • the metallic coating of the sinkers or tapes is preferably based on aluminum or an aluminum alloy.
  • Tailored blanks made of sheet steel are used in the automotive industry to produce high
  • manganese-boron steels typically have a ferritic-pearlitic structure and have strengths of about 600 MPa.
  • a martensitic microstructure can be set in the molding press, so that the steels treated in this way can reach tensile strengths in the range from 1500 to 2000 MPa.
  • Steel blanks are usually coated with a metallic coating as a corrosion protection coating to a
  • the coating material used is usually a zinc or aluminum alloy, preferably an aluminum-silicon alloy. When welding such coated sheets, however, the problem arises that coating components,
  • JP 07041841 A discloses a laser welding method for joining butt jointed steel sheets, in which fine melted carbon powder is supplied to the weld melt in order to achieve a carbon-rich weld melt and thus a harder weld seam.
  • melt-bath dynamics of the weld metal are influenced by the use of special protective gas, so that the alloying elements of the metallic coating undergo intensive mixing with the weld metal in such a way that they become conductive
  • the present invention has the object to provide a further method of the type mentioned, can be produced with the cost of qualitatively flawless welds, the
  • the method according to the invention is characterized in that the laser beam used for joining the metallically coated blanks or strips is focused such that it strikes the weld seam area with an oblong focus, wherein the oblong focus extends substantially in line with the weld seam and has a length which is at least 1.5 times, preferably at least 1.8 times, more preferably at least 2 times its width.
  • the laser beam used for joining the metallically coated blanks or strips is focused such that it strikes the weld seam area with an oblong focus, wherein the oblong focus extends substantially in line with the weld seam and has a length which is at least 1.5 times, preferably at least 1.8 times, more preferably at least 2 times its width.
  • steel blanks provided with an aluminum-containing metallic coating the following can be observed. Up to about 2 wt .-% aluminum is soluble in ⁇ -iron. This means that up to this aluminum content, the steel alloy remains curable.
  • Aluminum content in the range of about 2 to 10 wt .-% is
  • Aluminum is soluble in the iron and is called an a-iron mixed crystal. At higher aluminum contents, intermetallic phases form.
  • the aluminum content in the weld is too high, namely greater than 2% by weight, then there is a considerable or undesirable drop in hardness in the weld seam. In such cases, this is also referred to as a "hardening bag" in the weld seam, and aluminum nests and / or aluminum lancets are usually found in the weld seam
  • the aluminum content in the weld should therefore preferably be less than 1.8% by weight.
  • aluminum nests and / or aluminum lancets in the weld should be prevented.
  • a laser optics is used in laser welding, which focuses the laser beam so that it impinges on the weld seam area with a substantially circular focus.
  • the focus diameter in the weld region is usually in the range of 0.4 to 1.0 mm.
  • welding takes place with an oblong, preferably line-shaped, focus.
  • the focus or line preferably corresponds to one substantially
  • Essentially rectangular laser beam focus can be used in the method according to the invention, for example as follows
  • Method is accordingly characterized in that the elongated focus in the weld area has a focus area in the range of 1.2 mm 2 to 3.0 mm 2 .
  • the inventive method is characterized by a significantly improved productivity.
  • the welding speed can be greater than or equal to 5 m / min in the inventive method.
  • the welding speed in the method according to the invention is in the range of 6 to 10 m / min.
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention provides that the elongated focus in the weld region has a length-width ratio in the range of 2 to 4.
  • the filler material can be added to the molten bath (weld pool) in the form of a powder or wire.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the weldability generated by the laser beam and the hardenability and / or extensibility of the
  • this filler material can be so composed or supplied to the weld pool so that it causes a better mixing of the weld pool.
  • the filler material may contain at least one alloying element of a group comprising manganese, chromium, molybdenum, silicon and / or nickel.
  • the powdered or wire-shaped filler material has the following composition: 0.05-0.15% by weight of C
  • the weld pool (molten bath) is applied during the laser welding with inert gas (inert gas).
  • inert gas inert gas
  • Pure argon, helium, nitrogen or their mixture or a mixture of argon, helium, nitrogen, carbon dioxide and / or oxygen is particularly preferably used as protective gas.
  • Fig. 1 is a perspective view of parts of a
  • Fig. 2 is a perspective view of parts of a
  • FIG. 1 shows a device with which a laser welding method according to the invention can be carried out.
  • the device comprises a base (not shown) on which two bands or sinkers 1, 2 of steel of the same or different material quality butt along the
  • one workpiece 1 or 2 has a relatively soft deep-drawing quality, while the other workpiece 2 or 1 consists of a high-strength steel sheet.
  • At least one of the workpieces 1, 2 is made of press-hardenable steel, for example of manganese-boron steel.
  • the workpieces 1, 2 and 2 ' are provided with a metallic coating, preferably an Al coating or Al-Si coating. In the embodiment sketched in FIG. 1, the workpieces 1, 2 have substantially the same sheet thickness.
  • Focusing lens 5 is provided for the laser beam 6. Furthermore, a line 7 for supplying protective gas is arranged on the laser welding head 4. The mouth of the protective gas line 7 is essentially at the focus area of the laser beam 6 or generated with the laser beam 6
  • the protective gas used is preferably pure argon or, for example, a mixture of argon, helium and / or carbon dioxide.
  • the laser welding head 4 can be assigned a filler material supply device (9) (not shown in FIG. 1), by means of which the welding pool 8 is provided with a special additive.
  • Material 10 is supplied in the form of a powder or wire, which is also melted by the laser beam 6 (see Fig. 2).
  • the laser beam 6 is focused in such a way that it strikes the weld seam area with an elongated focus 6 ', the elongate focus 6' extending substantially flush or parallel to the weld seam 11 or to the butt joint 3.
  • the laser welding head 4 is provided with a corresponding line focusing optics, for example a corresponding focusing lens 5.
  • the elongated focus 6 ' may also be referred to as a line focus.
  • the line-shaped focus 6 ' has a substantially rectangular shape
  • the length of the rectangular focus 6 ' is in the weld area, for example, about 1.5 mm to 3.0 mm, while its width there is about 0.6 mm to 1.2 mm.
  • the length-width ratio of the focus 6 ' is in the range of 1.5 to 4, preferably in the range of 1.8 to 4, particularly preferably in the range of 2 to 4.
  • the molten phase can be maintained longer and thus the outgassing time for strength-reducing coating constituents of the workpieces 1, 2, in particular aluminum can be increased.
  • the laser focus 6 ' is guided along the joint 3 at a welding speed of, for example, about 6 to 7 m / min.
  • the embodiment shown in Fig. 2 differs from the embodiment of FIG. 1, characterized in that the workpieces 1, 2 'are different in thickness, so that at the butt joint 3 is a thickness jump d exists.
  • one workpiece 2 ' has a sheet thickness in the range of 0.5 mm to 1.2 mm, while the other workpiece 1 has a sheet thickness in the range of 1.6 mm to 2.5 mm.
  • those in the butt joint 3 may intercommunicate
  • the thicker board 1 may be made of higher strength steel sheet, whereas the thinner steel board 2 'may have a relatively soft deep-drawing quality.
  • Composition include:
  • Residual Fe and unavoidable impurities As delivered, i. before a heat treatment and
  • these steel blanks After hot forming, ie austenitizing at about 900 to 920 ° C. and subsequent rapid cooling, these steel blanks have a yield strength Re of about 1100 MPa, a tensile strength Rm of about 1,500 to 2,000 MPa and an ultimate elongation Aeo of about 5 , 0% up.
  • the used powder or wire-shaped filler material 10 has, for example, the following chemical composition:
  • the manganese content of the filler material 10 is preferably higher than the manganese content of the press-hardenable workpieces 1, 2 or 2 '.
  • the manganese content of the filler material 10 is preferably higher than the manganese content of the press-hardenable workpieces 1, 2 or 2 '.
  • Additional material 10 by about 0.2 wt .-% higher than the manganese content of the press-hardened workpieces 1, 2 or 2 '. Furthermore, it is favorable if the content of chromium and molybdenum of the filler material 10 is higher than in the press-hardenable workpieces 1, 2 or 2 '. Preferably, the combined chromium-molybdenum content of the filler material 10 is about 0.2 wt .-% higher than the combined chromium-molybdenum content of the press-hardenable workpieces 1, 2 and 2 '.
  • the nickel content of the filler material 10 is preferably in the range of 1 to 4 wt .-%.
  • the filler material 10 preferably a lower carbon content than the press-hardenable steel of the workpieces 1, 2 and 2 '.
  • Laser beam are also focused so that the elongated focus 6 'in the weld area has a substantially oval or polygonal cross-sectional profile (focus profile).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aneinanderfügen von mit einer metallischen Beschichtung, beispielsweise Al- oder AL-Si-Beschichtung versehenen Platinen oder Bändern (1, 2; 2') aus Stahl durch Laserstrahlschweißen, bei dem die Platinen oder Bänder (1, 2; 2') ohne vorheriges Entfernen der metallischen Beschichtung aus dem Schweißnahtbereich miteinander verschweißt werden. Um ohne vorheriges Entfernen der metallischen Beschichtung im Schweißnahtbereich kostengünstig qualitativ einwandfreie Schweißverbindungen herzustellen, die insbesondere für nachfolgende Warmumform- und Presshärtungsprozesse geeignet sind, wird der Laserstrahl (6) erfindungsgemäß derart fokussiert, dass er mit länglichem Fokus (6') auf den Schweißnahtbereich auftrifft, wobei sich der längliche Fokus (6') im Wesentlichen fluchtend zur Schweißnaht (11) erstreckt und eine Länge aufweist, die mindestens das 1,5-fache seiner Breite beträgt. Hierdurch kann die schmelzflüssige Phase länger aufrecht erhalten und damit die Ausgasungszeit für festigkeitsmindernde Beschichtungsbestandteile der Platinen oder Bänder (1, 2; 2'), insbesondere Aluminium erhöht werden.

Description

Verfahren zum Aneinanderfügen von mit einer metallischen Beschichtung versehenen Platinen oder Bändern aus Stahl durch
Laserstrahlschweißen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aneinanderfügen von mit einer metallischen Beschichtung versehenen Platinen oder Bändern aus Stahl durch Laserstrahlschweißen, bei dem die Platinen oder Bänder ohne vorheriges Entfernen der
metallischen Beschichtung aus dem Schweißnahtbereich
miteinander verschweißt werden. Die metallische Beschichtung der Platinen oder Bänder basiert vorzugsweise auf Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Maßgeschneiderte Platinen aus Stahlblech (sogenannte Tailored Blanks) werden im Automobilbau verwendet, um hohe
Anforderungen an die Crashsicherheit bei möglichst geringem Karosseriegewicht zu erfüllen. Hierzu werden Platinen oder Bänder unterschiedlicher Werkstoffgüte und/oder Blechdicke im Stumpfstoß durch Laserschweißen zusammengefügt. Auf diese Weise können verschiedene Stellen des Karosseriebauteils an unterschiedliche Belastungen angepasst werden. So können an Stellen mit hoher Belastung dickeres oder auch höherfestes Stahlblech und an den übrigen Stellen dünnere Bleche oder auch Bleche aus relativ weichen Tiefziehgüten eingesetzt werden. Durch solche maßgeschneiderten Blechplatinen werden zusätzliche Verstärkungsteile an der Karosserie überflüssig. Das spart Material und ermöglicht, das Gesamtgewicht der Karosserie zu reduzieren.
BESTÄTIGUNGS DPfß In den letzten Jahren wurden borlegierte Stähle, insbesondere Mangan-Bor-Stähle entwickelt, die beim Warmumformen mit rascher Abkühlung hohe Festigkeiten, beispielsweise
Zugfestigkeiten im Bereich von 1500 bis 2000 MPa erreichen. Im Ausgangszustand haben Mangan-Bor-Stähle typischerweise ein ferritisch-perlitisches Gefüge und besitzen Festigkeiten von ca. 600 MPa. Durch Presshärten, d.h. durch Erwärmen auf
Austenitisierungstemperatur und anschließendes rasches
Abkühlen in der Formpresse kann jedoch ein martensitisches Gefüge eingestellt werden, so dass die so behandelten Stähle Zugfestigkeiten im Bereich von 1500 bis 2000 MPa erreichen können.
Die für das Warmumformen und Presshärten vorgesehenen Stahl- bänder oder für das Umformwerkzeug passend zugeschnittenen
Stahlplatinen sind in der Regel mit einem metallischen Überzug als Korrosionsschutzschicht beschichtet, um eine
Verzunderung des Werkstücks im warmen Zustand vor der
Warmumformung zu verhindern. Als Beschichtungsmaterial wird dabei üblicherweise eine Zink- oder Aluminiumlegierung, vorzugsweise eine Aluminium-Silizium-Legierung verwendet. Beim Verschweißen solcher beschichteter Bleche tritt jedoch das Problem auf, dass Beschichtungsbestandteile,
beispielsweise Aluminium in die Schweißschmelze gelangt und sich in der Schweißnaht mit Eisen zu Fe-Al-Verbindungen ausbildet, die eine relativ geringe Festigkeit aufweisen und zur Schwächung des Bauteils in der Schweißnaht oder sogar zu einem Bauteilversagen führen können. Bei einer Zinkbeschich- tung kann das Problem auftreten, dass sich beim Verschweißen Zink an den Korngrenzen ablagert, wodurch maximale Zug- und Druckspannungen in der Schweißnaht reduziert werden können. Zur Lösung dieses Problems wurden bereits sogenannten Ent- schichtungsverfahren vorgeschlagen, mit denen die metallische Beschichtung an den Rändern der zu verschweißenden Blechkanten abgetragen wird (siehe z.B. DE 20 2007 018 832 Ul) . Diese Verfahren sind jedoch aufwändig und teuer.
Bei einem in der DE 103 24 274 AI beschriebenen Verfahren zum Laserschweißen von mit Aluminium beschichtetem Stahlblech wird dagegen die Aluminiumbeschichtung im Schweißnahtbereich belassen; jedoch ist dabei zur Sicherstellung einer einwandfreien Schweißnahtqualität vorgesehen, dass ein Laserstrahl mehrmals über dieselbe Schweißnaht geführt wird. Ziel ist es hierbei, dass die Bestandteile der Aluminiumbeschichtung durch mehrfaches Aufschmelzen in das Schmelzgut der Schweiß- naht einlegiert und darin fein verteilt werden. Auch dieses bekannte Verfahren ist aufwändig und verteuert die so
hergestellten Bauteile erheblich.
Des Weiteren ist es im Stand der Technik bekannt, der
Schweißschmelze einen Schweißzusatz zuzugeben, um die Festigkeit der Schweißnaht bzw. des hergestellten Bauteils zu verbessern. So ist beispielsweise aus der JP 07041841 A ein Laserschweißverfahren zum Fügen von im Stumpfstoß angeordneten Stahlblechen bekannt, bei dem der Schweißschmelze feines Kohlenstoffpulver zugeführt wird, um eine kohlenstoff- angereichte Schweißschmelze und damit eine härtere Schweißnaht zu erzielen.
Ferner ist aus der DE 10 2011 017 144 AI ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen bekannt, bei dem ein mit einem
metallischen Überzug aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versehenes Vorprodukt aus einem warmumformbaren, presshärtbaren Stahl unter Schutzgas geschweißt wird, wobei der metallische Überzug in die beim Schweißen gebildete
Schweißnaht einbezogen wird. Hierzu wird die Schmelzbad- dynamik des Schweißgutes durch Verwendung von speziellem Schutzgas beeinflusst, so dass die Legierungselemente des metallischen Überzugs eine intensive Durchmischung mit dem Schweißgut in der Weise erfahren, dass diese nach der
Erstarrung in fein verteilter Form hierin vorliegen. Davon ausgehend lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem kostengünstig qualitativ einwandfreie Schweißverbindungen hergestellt werden können, die
insbesondere für nachfolgende Warmumform- und Presshärtungs- prozesse geeignet sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der zum Aneinanderfügen der metallisch beschichteten Platinen oder Bänder verwendete Laserstrahl derart fokussiert wird, dass er mit länglichem Fokus auf den Schweißnahtbereich auftrifft, wobei sich der längliche Fokus im Wesentlichen fluchtend zur Schweißnaht erstreckt und eine Länge aufweist, die mindestens das 1,5-fache, vorzugsweise mindestens das 1,8-fache, besonders bevorzugt mindestens das 2-fache seiner Breite beträgt. In Bezug auf Stahlplatinen, die mit einer Aluminium enthaltenden metallischen Beschichtung versehen sind, lässt sich folgendes feststellen. Bis zu ca. 2 Gew.-% ist Aluminium im γ-Eisen löslich. Das bedeutet, bis zu diesem Aluminium- gehalt bleibt die Stahllegierung härtbar. Bei einem
Aluminiumgehalt im Bereich von ca. 2 bis 10 Gew.-% ist
Aluminium im Eisen löslich und man spricht von einem a-Eisen- Mischkristall . Bei höheren Aluminiumgehalten bilden sich intermetallische Phasen.
Ist der Aluminiumanteil in der Schweißnaht zu hoch, nämlich größer als 2 Gew.-%, so kommt es zu einem erheblichen bzw. ungewünschten Härteabfall in der Schweißnaht. Man spricht in solchen Fällen auch von einem „Härtesack" in der Schweißnaht. Meist sind dann Aluminium-Nester und/oder Aluminium-Lanzetten in der Schweißnaht zu finden, die auf eine schlechte
Homogenisierung und einen hohen Aluminiumanteil schließen lassen . Um die Warmumformbarkeit bzw. Härtbarkeit der Schweißnaht zu gewährleisten, sollte der Aluminiumanteil in der Schweißnaht daher vorzugsweise unter 1,8 Gew.-% betragen. Zudem sollten Aluminium-Nester und/oder Aluminium-Lanzetten in der Schweißnaht verhindert werden.
Üblicherweise wird beim Laserschweißen eine Laseroptik verwendet, die den Laserstrahl derart fokussiert, dass dieser mit im Wesentlichen kreisrundem Fokus auf den Schweißnahtbereich auftrifft. Der Fokusdurchmesser im Schweißnahtbereich liegt dabei üblicherweise im Bereich von 0,4 bis 1,0 mm. Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Laserschweißverfahren mit einem länglichen, vorzugsweise linien- förmig ausgebildeten Fokus geschweißt. Der Fokus bzw. die Linie entspricht vorzugsweise einem im Wesentlichen
rechteckigen oder ovalen Querschnittsprofil (Fokusprofil) .
Durch Kombination eines Lichtleitkabels mit geeignetem
Lichtleiter- bzw. Faserdurchmesser und einer entsprechenden Linienfokus.sieroptik können geeignete Laserstrahllinien bzw. rechteckförmige oder ovale Foki erzeugt werden. Der im
Wesentlichen rechteckförmige Laserstrahlfokus kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise folgende
Abmessungen aufweisen: 0,6 mm x 2,1 mm, 0,8 mm x 2,2 mm, 1,0 mm x 2,3 mm oder 1,2 mm x 2,4 mm.
Versuche seitens der Erfinder haben ergeben, dass sich durch den Einsatz des länglichen Laserstrahlfokus bzw. Linienfokus eine deutliche Reduzierung des Aluminiumgehalts in der
Schweißnaht erreichen lässt. Die Ursache für diese deutliche Reduzierung des Aluminiumgehalts wird seitens der Erfinder in der deutlich größeren Schweißbadfläche gesehen. Durch die größere Schweißbadfläche steht bei einer typischen Schweißgeschwindigkeit deutlich mehr Zeit für ein Ausgasen des
Aluminiums bis zur Erstarrung der Schweißnaht zur Verfügung. Darüber hinaus haben seitens der Erfinder durchgeführte Versuche ergeben, dass bei Einsatz des länglichen Laserstrahlfokus bzw. Linienfokus das in die Schweißnaht eingeflossene, verbleibende Aluminium in der Schweißnaht sehr homogen verteilt wird. Aluminium-Nester und Aluminium-Lanzetten werden dadurch vermieden oder jedenfalls wesentlich reduziert. Im Vergleich zu einem herkömmlichen kreisrunden Laserfokus mit einem Durchmesser von 0,8 mm bzw. einer Fokusfläche von ca. 0,50 mm2 weist ein erfindungsgemäß angewandter Linienfokus mit Abmessungen von beispielsweise 2,4 mm x 1,2 mm eine Fokusfläche von 2,88 mm2 auf. Dies entspricht in diesem
Beispiel einer Flächensteigerung um den Faktor 5,76.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Fokus im Schweißnahtbereich eine Fokusfläche im Bereich von 1,2 mm2 bis 3,0 mm2 aufweist.
Auch der reine Längenvergleich zeigt eine deutliche
Steigerung hinsichtlich der Erstarrungs- bzw. Ausgasungszeit ; nämlich in Bezug auf das vorgenannte Beispiel:
2,4 mm - 0,8 mm = 1,6 mm.
Dies entspricht einer Längensteigerung um den Faktor 3.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Fokus im Schweißnahtbereich eine Länge im
Bereich von 1,5 mm bis 3,0 mm aufweist.
Im Vergleich zu anderen denkbaren Verfahren zur Verlängerung der Ausgasungszeit, wie etwa das in der DE 103 24 274 AI beschriebene Verfahren, bei dem der Laserstrahl mehrmals über dieselbe Schweißnaht geführt wird, um die Schweißnaht
mehrmals aufzuschmelzen, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine erheblich verbesserte Produktivität aus. Die Schweißgeschwindigkeit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren größer/gleich 5 m/min betragen. Beispielsweise liegt die Schweißgeschwindigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich von 6 bis 10 m/min.
Hinsichtlich eines möglichst geringen Energieverbrauchs für das Verschweißen der aneinanderzufügen Stahlplatinen oder
Stahlbänder bzw. hinsichtlich einer möglichst hohen Schweißgeschwindigkeit sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der längliche Fokus im Schweißnahtbereich ein Längen-Breitenverhältnis im Bereich von 2 bis 4 aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem mit dem
Laserstrahl erzeugten Schweißbad ein eine Durchmischung des Schweißbades bewirkender Zusatzwerkstoff zugegeben wird.
Hierdurch kann die Homogenisierung des Schweißbades bzw. der Schweißnaht weiter verbessert werden. Der Zusatzwerkstoff kann dabei in Form eines Pulvers oder Drahtes dem Schmelzbad (Schweißbad) zugegeben werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass dem mit dem Laserstrahl erzeugten Schweißbad ein die Härtbarkeit und/oder Dehnbarkeit der
Schweißnaht erhöhender Zusatzwerkstoff zugegeben wird.
Gleichzeitig kann dieser Zusatzwerkstoff so zusammengesetzt sein bzw. dem Schweißbad so zugeführt, dass er eine bessere Durchmischung des Schweißbades bewirkt. Beispielsweise kann der Zusatzwerkstoff mindestens ein Legierungselement aus einer Mangan, Chrom, Molybdän, Silizium und/oder Nickel umfassenden Gruppe enthalten. Vorzugsweise weist der pulver- oder drahtförmige Zusatzwerkstoff folgende Zusammensetzung auf : 0,05 - 0,15 Gew.-%% C
0,5 - 2,0 Gew.-% Si,
1,0 - 2,5 Gew.-% Mn,
0,5 - 2,0 Gew.-% Cr + Mo, und
1,0 - 4,0 Gew. -% Ni,
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Um eine Versprödung der Schweißnaht zu verhindern, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens vor, dass das Schweißbad (Schmelzbad) während des Laserschweißens mit Schutzgas (Inertgas) beaufschlagt wird. Besonders bevorzugt wird dabei als Schutzgas reines Argon, Helium, Stickstoff oder deren Mischung oder ein Gemisch aus Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid und/oder Sauerstoff verwendet . ·
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere
Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von Teilen einer
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens, wobei zwei im Wesentlichen gleiche dicke, presshärtbare Stahlplatinen im
Stumpfstoß miteinander verschweißt werden; und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von Teilen einer
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens, wobei hier zwei
unterschiedlich dicke, presshärtbare Stahlplatinen im Stumpfstoß miteinander verschweißt werden. In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit der ein erfindungsgemäßes Laser-Schweißverfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung umfasst eine Unterlage (nicht gezeigt) , auf der zwei Bänder oder Platinen 1, 2 aus Stahl gleicher oder unterschiedlicher Werkstoffgüte stumpf entlang des
Fügestoßes 3 aneinanderstoßen. Beispielsweise besitzt das eine Werkstück 1 oder 2 eine relativ weiche Tiefziehgüte, während das andere Werkstück 2 bzw. 1 aus höherfestem Stahlblech besteht. Zumindest eines der Werkstücke 1, 2 ist aus presshärtbarem Stahl, beispielsweise aus Mangan-Bor-Stahl hergestellt. Die Werkstücke 1, 2 bzw. 2 ' sind mit einer metallischen Beschichtung, vorzugsweise einer Al-Beschichtung oder Al-Si-Beschichtung versehen. In dem in Fig. 1 skizzierten Ausführungsbeispiel besitzen die Werkstücke 1, 2 im Wesentlichen die gleiche Blechdicke.
Oberhalb der Werkstücke 1, 2 ist ein Abschnitt eines Laserschweißkopfes 4 skizziert, der mit einer Optik (nicht
gezeigt) zur Zuführung eines Laserstrahls sowie einer
Fokussierlinse 5 für den Laserstrahl 6 versehen ist. Des Weiteren ist an dem Laserschweißkopf 4 eine Leitung 7 zur Zuführung von Schutzgas angeordnet. Die Mündung der Schutzgasleitung 7 ist im Wesentlichen auf den Fokusbereich des Laserstrahls 6 bzw. das mit dem Laserstrahl 6 erzeugte
Schweißbad (Schmelzbad) 8 gerichtet. Als Schutzgas wird vorzugsweise reines Argon oder beispielsweise ein Gemisch aus Argon, Helium und/oder Kohlendioxid verwendet. Zudem kann dem Laserschweißkopf 4 eine Zusatzwerkstoff- Zuführungseinrichtung (9) zugeordnet sein (in Fig. 1 nicht gezeigt) , mittels der dem Schweißbad 8 ein spezieller Zusatz- werkstoff 10 in Form eines Pulvers oder Drahtes zugeführt wird, das durch den Laserstrahl 6 ebenfalls aufgeschmolzen wird (vgl . Fig. 2) . Erfindungsgemäß wird der Laserstrahl 6 derart fokussiert wird, dass er mit einem länglichen Fokus 6' auf den Schweißnahtbereich auftrifft, wobei sich der längliche Fokus 6' im Wesentlichen fluchtend bzw. parallel zur Schweißnaht 11 bzw. zum Stumpfstoß 3 erstreckt. Hierzu ist der Laserschweißkopf 4 mit einer entsprechenden Linienfokussieroptik, beispielsweise einer entsprechenden Fokussierlinse 5 versehen. Der längliche Fokus 6' kann auch als Linienfokus bezeichnet werden.
In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel hat der linienförmig ausgebildete Fokus 6' ein im Wesentlichen rechteckiges
Querschnittsprofil. Die Länge des rechteckförmigen Fokus 6' beträgt im Schweißnahtbereich beispielsweise ca. 1,5 mm bis 3,0 mm, während seine Breite dort ca. 0,6 mm bis 1,2 mm beträgt. Das Längen-Breiten-Verhältnis des Fokus 6' liegt dabei im Bereich von 1,5 bis 4, vorzugsweise im Bereich von 1,8 bis 4, besonders bevorzugt im Bereich von 2 bis 4.
Durch den Linienfokus 6' kann die schmelzflüssige Phase länger aufrecht erhalten und damit die Ausgasungszeit für festigkeitsmindernde Beschichtungsbestandteile der Werkstücke 1, 2, insbesondere Aluminium erhöht werden.
Der Laserfokus 6' wird mit einer Schweißgeschwindigkeit von beispielsweise ca. 6 bis 7 m/min entlang des Fügestoßes 3 geführt. Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch, dass die Werkstücke 1, 2' verschieden dick sind, so dass an dem Stumpfstoß 3 ein Dickensprung d vorliegt. Beispielsweise besitzt das eine Werkstück 2' eine Blechdicke im Bereich von 0,5 mm bis 1,2 mm, während das andere Werkstück 1 eine Blechdicke im Bereich von 1,6 mm bis 2,5 mm aufweist. Darüber hinaus können sich die im Stumpfstoß 3 miteinander zu
verbindenden Werkstücke 1, 2' auch in ihrer Werkstoffgüte voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann die dickere Platine 1 aus höherfestem Stahlblech hergestellt sein, wohingegen die dünnere Stahlplatine 2' eine relativ weiche Tiefziehgüte besitzen kann. Der presshärtbare Stahl, aus dem zumindest eines der
miteinander im Stumpfstoß 3 zu verbindenden Werkstücke 1, 2 bzw. 2' besteht, kann beispielsweise folgende chemische
Zusammensetzung aufweisen:
max. 0,45 Gew.-% C,
max. 0,40 Gew.-% Si,
max. 2,0 Gew.-% Mn,
max. 0,025 Gew.-% P,
max. 0,010 Gew.-% S,
max. 0,8 Gew.-% Cr + Mo,
max. 0,05 Gew.-% Ti,
max. 0,0050 Gew.-% B, und
min. 0,010 Gew.-% AI,
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Im Lieferzustand, d.h. vor einer Wärmebehandlung und
schnellen Abkühlung, beträgt die Streckgrenze Re der
presshärtbaren Stahlplatinen 1, 2 und/oder 2' vorzugsweise mindestens 300 MPa; ihre Zugfestigkeit Rm beträgt mindestens 480 MPa, und ihre Bruchdehnung Aeo liegt bei mindestens 10%. Nach dem Warmumformen, d.h. einem Austenitisieren bei ca. 900 bis 920 °C und anschließendem schnellen Abkühlen, weisen diese Stahlplatinen eine Streckgrenze Re von ca. 1.100 MPa, eine Zugfestigkeit Rm von ca. 1.500 bis 2000 MPa und eine Bruchdehnung Aeo von ca. 5,0% auf.
Der verwendete pulver- oder drahtförmige Zusatzwerkstoff 10 weist beispielsweise folgende chemische Zusammensetzung auf:
0, 1 Gew. -% C,
0,8 Gew.-% Si,
1,8 Gew.-% Mn,
0,35 Gew.-% Cr,
0., 6 Gew.-% Mo, und
2,25 Gew.-% Ni,
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Der Mangan-Gehalt des Zusatzwerkstoffes 10 ist vorzugsweise höher als der Mangan-Gehalt der presshärtbaren Werkstücke 1, 2 bzw. 2' . Beispielsweise liegt der Mangan-Gehalt des
Zusatzwerkstoffes 10 um ca. 0,2 Gew.-% höher als der Mangan- Gehalt der presshärtbaren Werkstücke 1, 2 bzw. 2' . Ferner ist es günstig, wenn auch der Gehalt an Chrom und Molybdän des Zusatzwerkstoffes 10 höher als in den presshärtbaren Werkstücken 1, 2 bzw. 2' ist. Vorzugsweise liegt der kombinierte Chrom-Molybdän-Gehalt des Zusatzwerkstoffes 10 um ca. 0,2 Gew.-% höher als der kombinierte Chrom-Molybdän-Gehalt der presshärtbaren Werkstücke 1, 2 bzw. 2' . Der Nickelgehalt des Zusatzwerkstoffes 10 liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 4 Gew.-%. Zudem weist der Zusatzwerkstoff 10 vorzugsweise einen geringeren Kohlenstoffgehalt auf als der presshärtbare Stahl der Werkstücke 1, 2 bzw. 2' .
Die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr sind weitere Varianten denkbar, die auch bei von diesen Ausführungsbeispielen abweichender Gestaltung von der in den beiliegenden Patentansprüchen angegebenen Erfindung Gebrauch machen. So kann beispielsweise der
Laserstrahl auch derart fokussiert werden, dass der längliche Fokus 6' im Schweißnahtbereich ein im Wesentlichen ovales oder polygonales Querschnittsprofil (Fokusprofil) aufweist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zum Aneinanderfügen von mit einer metallischen Beschichtung versehenen Platinen oder Bändern (1, 2; 2') aus Stahl durch Laserstrahlschweißen, bei dem die
Platinen oder Bänder (1, 2; 2' ) ohne vorheriges Entfernen der metallischen Beschichtung aus dem Schweißnahtbereich miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) derart fokussiert wird, dass er mit länglichem Fokus (6') auf den Schweißnahtbereich auftrifft, wobei sich der längliche Fokus (6') im
Wesentlichen fluchtend zur Schweißnaht (11) erstreckt und eine Länge aufweist, die mindestens das 1,5-fache seiner Breite beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) derart fokussiert wird, dass der längliche Fokus (6')im Schweißnahtbereich ein im
Wesentlichen rechteckiges, ovales oder polygonales
Fokusprofil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Fokus (6' ) im Schweißnahtbereich ein Längen-Breitenverhältnis im Bereich von 1,5 bis 4
aufweist .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Fokus (6') im Schweiß- nahtbereich eine Länge im Bereich von 1,5 mm bis 3,0 mm aufweist .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Fokus (6') im
Schweißnahtbereich eine Fokusfläche im Bereich von
1,2 mm2 bis 3,0 mm2 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserfokus (6') mit einer
Schweißgeschwindigkeit im Bereich von 5 bis 10 m/min entlang des Fügestoßes (3) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem mit dem Laserstrahl (6)
erzeugten Schweißbad ein eine Durchmischung des
Schweißbades (8) bewirkender Zusatzwerkstoff (10) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem mit dem Laserstrahl (6) erzeugte Schweißbad (8) ein die Härtbarkeit und/oder Dehnbarkeit der Schweißnaht (11) erhöhender Zusatzwerkstoff (10) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung der miteinander zu verschweißenden Stahlplatinen oder
Stahlbänder (1, 2; 2') eine Aluminium oder eine
Aluminiumlegierung enthaltende metallische Beschichtung ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine/eines der aneinander zu fügenden Stahlplatinen oder Stahlbänder (1, 2; 2/) aus warmumformbarem, durch rasche Abkühlung härtbarem Stahl besteht .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schweißbad (8) während des
Laserschweißens mit Schutzgas beaufschlagt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas reines Argon oder ein Gemisch aus Argon und Kohlendioxid verwendet wird.
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