WO2003051570A1 - Verfahren zur herstellung einer schweissnaht mittels eines laserstrahls - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer schweissnaht mittels eines laserstrahls Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a weld seam according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a method is used in the formation of step weld seams, in particular overlap, fillet and butt weld seams with the aid of welding devices which are equipped with a laser.
  • the overlap, fillet and butt welds which are made with known laser welding processes, can reduce the fatigue strength under high loads.
  • the invention is therefore based on the object of demonstrating a method with which step weld seams can be produced in such a way that they permanently maintain the required strength even under heavy loads.
  • components made of meltable materials in the form of plastics or metals can be connected to one another by means of overlap weld seams, fillet weld seams and butt weld seams.
  • the process is carried out in such a way that each weld seam is provided with a bale-shaped reinforcement at both ends.
  • a fixed welding device is used, which is equipped with a pivotable optic.
  • the laser beam can be directed onto the components to be connected and can be guided along a weld seam to be formed.
  • a movable welding device with a fixed optic can also be used.
  • the diameter of the reinforcements to be formed at the two ends of each weld seam can be precisely defined and matched to the size and the mechanical stress of the components to be connected become.
  • the swiveling optics are stopped at the beginning and at the end of the weld seam to be formed during a defined time interval ⁇ t.
  • the laser beam is constantly directed at the same point on the components to be connected.
  • the duration of the time interval ⁇ t depends on the one hand on the materials from which the components to be connected are made and on the other hand on the size of the reinforcement to be formed.
  • the time interval ⁇ t can be between 10 ms and 100 ms.
  • the swiveling optics After the swiveling optics has stopped at the beginning of the weld seam to be formed, after the reinforcement has been formed, it is rotated so that the laser beam is guided at a constant speed of a defined size from the first reinforcement formed to the end of the weld seam, where the second reinforcement is to be formed is.
  • the laser beam is moved at a defined speed v, which is in the range between 1 m / min and 10 m / min, for which the optics must be rotated by appropriate degrees / min .
  • the optics are again stopped during a time interval ⁇ t.
  • the duration of this dwell time is as long as at the beginning of the weld.
  • the formation of such a weld seam is also possible in the same way with a movable welding device which is equipped with a fixed optic.
  • high-strength weld seams can be formed using a laser beam, which have a significantly higher fatigue strength than the known weld seams also formed with the aid of lasers. This results in increased mechanical resilience for the components welded in this way and an extended service life in the case of dynamic loading.
  • Fig. 1 shows an overlap weld 1, which is formed between two flat components 2 and 3, which are partially superimposed.
  • the overlap weld 1 is provided with a 1V bale-shaped reinforcement at both ends.
  • the welding device 10 shown in FIG. 4 is used to form the overlap weld 1. It comprises a pivotable lens 12 and a fixed connection element 13.
  • the pivotable lens 12 is equipped with a deflecting mirror 14 and a focusing lens 15, which can have one or more lenses.
  • the radiation 19 from a laser 17, which is arranged outside the device 10 is fed to a collimator 16 via an optical fiber cable 18.
  • the collimator 16 is installed inside the fixed connection element 13. With the aid of the collimator 16, the radiation 19 coming from the laser 17 is aligned in parallel.
  • the expanded laser beam 19 is guided by the collimator 16 along the optical axis to the deflecting mirror 14 of the optics 12. With its help, the radiation 19 is aligned perpendicular to the optical axis.
  • the focusing optics 15 are arranged directly behind the deflecting mirror 14, viewed in the direction of the radiation. From it, the radiation 19 of the laser 17 is focused at the focal point B of the focusing lens 15. The focal point B can be moved along a degree by rotating the optics 12. For the formation of the quilted weld seams 1 shown in FIGS.
  • the components 2 and 3 to be connected in each case are arranged below the pivotable optics 12 in such a way that the quilted weld seam 1 to be formed lies in one plane with a straight line along which the Focus of the laser beam 19 can be moved.
  • the optics 12 are then pivoted with the aid of a regulating and control unit (not shown here), which is designed, for example, as a microprocessor and is integrated in the welding device 10, in such a way that the bundled laser beam 19 is directed at the beginning of the overlap weld 1 to be formed ,
  • the laser beam 19 is now directed for a duration of 10 ms and 100 ms at the predetermined location, so that the first bale-shaped gain 1 V is formed.
  • the size of this amplification 1V is determined by the dwell time of the laser beam 19 at the predetermined point and the materials from which the two components 2 and 3 are made.
  • the laser beam is moved along the surface of the component 2 at a speed v, the time profile of which is shown in FIG. 5.
  • the speed v is 1 m / min to 10 m / min, the laser beam 19 immediately after the formation of the first amplification 1V and before The point at which the second amplification 1V is to be formed is not moved at the maximum speed, as can be seen in FIG. 5.
  • the linear movement of the laser beam 19 is achieved by rotating the optics 12 by corresponding degrees of angle / minute.
  • the laser beam 19 for forming the second amplification 1V is again stopped during a time interval ⁇ t, which can be 10 ms to 100 ms.
  • ⁇ t a time interval which can be 10 ms to 100 ms.
  • the dwell time of the laser beam 19 must be set so that the reinforcements 1V are formed with the desired size, but there is no hole formation.
  • the regulating and control unit depending on the laser power, the properties of the welding device 1 and the materials from which the components 2 and 3 to be connected are made, may have to be used the laser power is adjusted.
  • the laser power is adjusted with laser power densities in the laser focus of P ⁇ 1 * 10 5 W / cm2, the welding process is generally determined by heat conduction.
  • the amplifications 1V can generally be generated with full laser power. At higher power densities, a deep welding effect can occur.
  • a fillet weld 1 can also be formed using the method described above.
  • This is a weld seam that connects the surface 2S of a first component 2 to the edge 3R of a second component 3, which is attached to the surface 2S of the first component 2.
  • a reinforcement 1V is formed in each case at the two ends of the weld seam 1 in the same way as in the formation of the overlap weld seam 1 described above.
  • FIG. 3 shows the connection of two directly adjacent components 2 and 3 via a butt butt weld 1.
  • the laser beam 19 is guided in such a way that it touches both components 2 and 3 equally.
  • a reinforcement 1V is also formed in the embodiment shown here.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweissnaht (1) mit Hilfe einer Schweissvorrichtung (10), die mit einem Laser (17) ausgerüstet ist. Bei Stepp-Schweissnähten (1), die mit bekannten Laserschweissverfahren hergestellt sind, kommt es bei grossen Belastungen der auf diese Weise verbundenen Bauelemente (2, 3) zu einer Minderung der Dauerfestigkeit. Das wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch vermieden, dass bei der Herstellung einer Stepp-Schweissnaht (1) zwischen zwei Bauteilen (2 und 3) jede Stepp-Schweissnaht (1) mit wenigstens zwei ballenförmigen Verstärkungen (1V) definierter Grösse ersehen wird.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SCHWEISSNACHT MITTELS EINES LASERSTRAHLS
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren kommt bei der Ausbildung von Stepp-Schweißnähten, insbesondere von Überlapp-, Kehl- und Stoßschweißnähten mit Hilfe von Schweißvorrichtungen zur Anwendung, die mit einem Laser ausgerüstet sind.
Bei den Überlapp-, Kehl- und Stoßschweißnähten, die mit bekannten Laserschweißverfahren hergestellt sind, kann es bei großen Belastungen zu einer Minderung der Dauerfestigkeit kommen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem Steppschweißnähte so hergestellt werden können, dass sie auch bei starken Belastungen dauerhaft die erforderliche Festigkeit beibehalten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile aus aufschmelzbaren Werkstoffen in Form von Kunststoffen oder Metallen mittels Überlapp-Schweißnähten, Kehl-Schweißnähten und Stoß-Schweißnähten miteinander verbunden werden. Das Verfahren wird so durchgeführt, dass jede Schweißnaht an beiden Enden mit jeweils einer ballenformigen Verstärkung versehen wird. Für die Durchführung des Verfahrens wird beispielsweise eine feststehende Schweißvorrichtung verwendet, die mit einer schwenkbaren Optik ausgerüstet ist. Mit Hilfe dieser Optik kann der Laserstrahl auf die zu verbindenden Bauteile geleitet und entlang einer auszubildenden Schweißnaht geführt werden kann. Für die Durchführung des Verfahrens kann selbstverständlich auch eine bewegliche Schweißvorrichtung mit einer feststehenden Optik genutzt werden. Mit Hilfe einer Regel- und Steuereinheit, mit welcher die für die Durchführung des Verfahrens verwendete Schweißvorrichtung ebenfalls ausgerüstet ist, können die Durchmesser der auszubildenden Verstärkungen an den beiden Enden einer jeden Schweißnaht exakt festgelegt und auf die Größe und die mechanische Beanspruchung der zu verbindenden Bauteile abgestimmt werden.
Für die Ausbildung der Verstärkungen wird die schwenkbare Optik am Anfang und am Ende der auszubildenden Schweißnaht während eines definierten Zeitintervalls Δt angehalten. Während dieser Zeit wird der Laserstrahl konstant auf die gleiche Stelle der zu verbindenden Bauteile gerichtet. Die Dauer des Zeitintervalls Δt hängt zum einen von den Werkstoffen ab, aus denen die zu verbindenden Bauteile hergestellt sind, und zum anderen von der Größe der auszubildenden Verstärkung. Das Zeitintervall Δt kann zwischen 10ms und 100ms betragen.
Nach dem Anhalten der schwenkbaren Optik am Anfang der auszubildenden Schweißnaht wird sie nach dem Ausbilden der Verstärkung so weiter gedreht, dass der Laserstrahl dabei mit einer konstanten Geschwindigkeit definierter Größe von der ersten ausgebildeten Verstärkung bis zum Ende der Schweißnaht geführt wird, wo die zweite Verstärkung auszubilden ist. In Abhängigkeit von den Werkstoffen, aus denen die zu verbindenden Bauteile gefertigt sind, wird der Laserstrahl mit einer definierten Geschwindigkeit v bewegt, die im Bereich zwischen 1 m/min und 10m/min liegt, wofür die Optik um entsprechende Winkelgrade/min zu drehen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Schweißnähte mit einer Länge von 5mm bis 100mm ausgebildet werden. Um die zweite Verstärkung am Ende der Schweißnaht auszubilden, wird die Optik wiederum während eines Zeitintervalls Δt angehalten. Die Dauer dieser Verweilzeit ist ebenso groß wie am Anfang der Schweißnaht. Das Ausbilden einer solchen Schweißnaht ist auch mit einer beweglichen Schweißvorrichtung, die mit einer feststehenden Optik ausgerüstet ist, in gleichen Weise möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter Verwendung eines Laserstrahls hochfeste Schweißnähte ausgebildet werden, die eine deutlich höhere Dauerfestigkeit gegenüber den bekannten ebenfalls mit Hilfe von Lasern ausgebildeten Schweißnähten aufweisen. Hieraus resultiert eine erhöhte mechanische Beanspruchbarkeit für die so verschweißten Bauteile bzw. eine verlängerte Lebensdauer im Falle von dynamischer Beanspruchung. Bei Bauteilen die mehrere Stepp-Schweißnähte aufweisen, wie das beispielsweise bei Automobilkarosserien der Fall ist, besteht die Möglichkeit, bei gleicher Vorgabe an Festigkeit und Lebensdauer dieser Bauteile, Steppschweißnähte einzusparen und damit die Herstellkosten zu reduzieren.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 zwei Bauteile, die über eine Überlapp-Schweißnaht miteinander verbunden sind,
Fig. 2 zwei Bauteile, die über eine Kehl-Schweißnaht miteinander verbunden sind,
Fig. 3. zwei Bauteile, die über eine Stoß-Schweißnaht miteinander verbunden sind,
Fig. 4 eine Schweißvorrichtung mit einer schwenkbaren Optik zum Führen des Laserstrahls,
Fig. 5 die Geschwindigkeit des Laserstahls bei der Ausbildung einer Stepp- Schweißnaht in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 1 zeigt eine Überlapp-Schweißnaht 1 , die zwischen zwei flächigen Bauteilen 2 und 3 ausgebildet ist, die teilweise übereinander gelegt sind. Die Überlapp-Schweißnaht 1 ist an beiden Enden mit einer ballenformigen Verstärkung 1V versehen. Für die Ausbildung der Überlapp-Schweißnaht 1 wird die in Fig. 4 dargestellte Schweißvorrichtung 10 verwendet. Sie umfasst eine schwenkbare Optik 12 und ein feststehendes Anschlusselement 13. Die schwenkbare Optik 12 ist mit einem Umlenkspiegel 14 sowie einer Fokusieroptik 15 ausgerüstet, die eine oder mehrere Linsen aufweisen kann. Die Strahlung 19 eines Lasers 17, der außerhalb der Vorrichtung 10 angeordnet ist, wird einem Kollimator 16 über ein Lichtleitfaserkabel 18 zugeführt. Der Kollimator 16 ist innerhalb des feststehenden Anschlusselements 13 installiert. Mit Hilfe des Kollimators 16 wird die von dem Laser 17 kommende Strahlung 19 parallel ausgerichtet. Der aufgeweitete Laserstrahl 19 wird vom Kollimator 16 entlang der optischen Achse zu dem Umlenkspiegel 14 der Optik 12 geführt. Mit seiner Hilfe wird die Strahlung 19 senkrecht zur optischen Achse ausrichtet. Die Fokusieroptik 15 ist in Richtung der Strahlung gesehen unmittelbar hinter dem Umlenkspiegel 14 angeordnet. Von ihr wird die Strahlung 19 des Lasers 17 im Brennpunkt B des Fokusierobjektivs 15 gebündelt. Der Brennpunkt B kann durch das Drehen der Optik 12 entlang einer Graden bewegt werden. Für die Ausbildung der in den Figuren 1 und 4 dargestellten Stepp-Schweißnähte 1 werden die jeweils zu verbindenden Bauteile 2 und 3 unterhalb der schwenkbaren Optik 12 so angeordnet, dass die auszubildende Stepp-Schweißnaht 1 in einer Ebene mit einer Geraden liegt, entlang derer der Brennpunkt des Laserstrahls 19 bewegt werden kann . Anschließend wird die Optik 12 mit Hilfe einer Regel- und Steuereinheit (hier nicht dargestellt), die beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet und in die Schweißvorrichtung 10 integriert ist, so geschwenkt, dass der gebündelte Laserstrahl 19 auf den Anfang der auszubildenden Überlapp-Schweißnaht 1 gerichtet wird. Der Laserstrahl 19 wird nun für die Dauer von 10ms und 100ms auf die vorgegebene Stelle gerichtet, damit die erste ballenförmige Verstärkung 1V ausgebildet wird. Die Größe dieser Verstärkung 1V wird durch die Verweilzeit des Laserstrahls 19 an der vorgegebenen Stelle und den Werkstoffen bestimmt, aus denen die beiden Bauteile 2 und 3 gefertigt sind. Hat die Verstärkung 1V die gewünschte Größe erreicht, wird der Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit v, deren zeitlicher Verlauf in Fig. 5 dargestellt ist, entlang der Oberfläche des Bauteils 2 weiterbewegt. Die Geschwindigkeit v beträgt 1 m/min bis 10m/min, wobei der Laserstrahl 19 unmittelbar nach dem Ausbilden der ersten Verstärkung 1V und vor der Stelle, an der die zweite Verstärkung 1V ausgebildet werden soll, nicht mit der maximalen Geschwindigkeit bewegt wird, wie Fig. 5 zu entnehmen ist. Die lineare Bewegung des Laserstrahls 19 wird durch das Drehen der Optik 12 um entsprechende Winkelgrade/Minute erreicht. Am Ende der Schweißnaht 1 wird der Laserstrahl 19 zum Ausbilden der zweiten Verstärkung 1V wiederum während eines Zeitintervalls Δt, das 10ms bis 100ms betragen kann, angehalten. Nach der Ausbildung der zweiten Verstärkung 1V ist die Überlapp-Schweißnaht 1 fertig gestellt.
Um die Qualität der Überlapp-Schweißnaht 1 zu optimieren, muss die Verweilzeit des Laserstrahls 19 so eingestellt werden, dass die Verstärkungen 1V mit der gewünschten Größe ausgebildet wird, es jedoch zu keiner Lochbildung kommt. Damit eine Überlapp-Schweißnaht 1 ausgebildet wird, die allen Anforderungen entspricht, muss mit Hilfe der Regel- und Steuereinheit in Abhängigkeit von der Laserleistung, den Eigenschaften der Schweißvorrichtung 1 sowie den Werkstoffen, aus denen die zu verbindenden Bauteile 2 und 3 gefertigt sind, gegebenenfalls eine Anpassung der Laserleistung erfolgen. Bei Laserleistungsdichten im Laserfokus von P < 1*l05W/cm2 wird der Schweißprozeß im allgemeinen durch Wärmeleitung bestimmt. Hier können die Verstärkungen 1V im allgemeinen mit voller Laserleistung erzeugt werden. Bei höheren Leistungsdichten kann ein Tiefschweißeffekt auftreten. Dieser kann über eine Materialverdampfung zu einem Materialverlust und unter Umständen auch zur Lochbildung während der Ausbildung der Verstärkungen 1V führen. Um die Ausbildung von Löchern zu verhindern, muss eine Reduzierung der Leistung erfolgen, welche an die Verweilzeiten des Laserstrahls angepasst werden muss. Die Regelung kann über Prozesssignale oder eine Sensorik für die Plasmaausbildung erfolgen. Es besteht auch die Möglichkeit, das Ausbilden einer Schweißnaht zunächst in mehreren Versuchen durchzuführen. Die dabei ermittelten Werte, die zu einer optimalen Schweißnaht 1 geführt haben, werden dann in der Regel- und Steuerungseinheit gespeichert, und für die'Ausbildung gleicher Stepp-Schweißnähte 1 genutzt.
Für die Ausbildung der Überlapp-Schweißnaht 1 kann ebenso wie für Ausbildung der nachfolgend beschriebenen Kehl-Schweißnaht und der Stoß-Schweißnaht auch eine bewegbare Schweißvorrichtung mit feststehender Optik (hier nicht dargestellt) verwendet werden.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, kann mit dem oben beschriebenen Verfahren auch eine Kehl-Schweißnaht 1 ausgebildet werden. Es handelt sich hierbei um eine Schweißnaht, welche die Oberfläche 2S eines ersten Bauteils 2 mit dem Rand 3R eines zweiten, Bauteils 3 verbindet, das auf die Oberfläche 2S des ersten Bauteils 2 angesetzt ist. Auch hierbei wird an den beiden Enden der Schweißnaht 1 jeweils eine Verstärkung 1V in der gleichen Weise ausgebildet, wie bei der Ausbildung der oben beschriebenen Überlapp-Schweißnaht 1.
Fig. 3 zeigt die Verbindung von zwei unmittelbar aneinander grenzenden Bauteilen 2 und 3 über eine Stumpfstoß-Steppschweißnaht 1. Der Laserstrahl 19 wird hierbei so geführt, dass er beide Bauteile 2 und 3 gleichermaßen berührt. An beiden Enden der Stumpfstoß-Steppschweißnaht 1 ist auch bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Verstärkung 1V ausgebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Stepp-Schweißnaht (1) zwischen zwei Bauteilen (2 und 3) aus einem aufschmelzbaren Werkstoff mittels eines Laserstrahls (19), dadurch gekennzeichnet, dass jede Stepp-Schweißnaht (1) mit wenigstens zwei ballenformigen Verstärkungen (1V) definierter Größe versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (19) für die Ausbildung der Stepp-Schweißnaht (1) an deren Anfang während eines definierten Zeitintervalls (Δt) für die Ausbildung einer ballenformigen Verstärkung (1V) angehalten und anschließend mit einer definierten Geschwindigkeit (v) bis zum Ende der Stepp-Schweißnaht (1) weiterbewegt und dort zur Ausbildung einer zweiten ballenformigen Verstärkung (1V) nochmals während eines zweiten Zeitinten alls (Δt) angehalten wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (19) für die Ausbildung der ersten ballenformigen Verstärkung (1V) am Anfang einer jeden Schweißnaht (1) für ein Zeitintervall (Δt) von 10ms bis 100ms angehalten und anschließend mit einer Geschwindigkeit (v), die 1 m/min bis 10m/min beträgt, über eines oder beide der zu verbindenden Bauteile (2, 3) geführt und am Ende der Schweißnaht (1) für die Ausbildung der zweiten Verstärkung (1V) während eines weiteren Zeitintervalls (Δt) von 10ms bis 100ms angehalten wird.
PCT/EP2002/013262 2001-12-19 2002-11-26 Verfahren zur herstellung einer schweissnaht mittels eines laserstrahls WO2003051570A1 (de)

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