WO2017089126A1 - Verfahren zum remote-laserstrahlschweissen mit überlagerter oszillationbewegung des laserstrahles - Google Patents

Verfahren zum remote-laserstrahlschweissen mit überlagerter oszillationbewegung des laserstrahles Download PDF

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WO2017089126A1
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Stefan Beck
Christian Roos
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Definitions

  • the invention relates to a method for the remote laser beam welding of at least two sheets, wherein at least one sheet has a coating.
  • a laser beam is directed by a scanner system onto the components to be machined and guided over them.
  • the scanner system allows single or multi-axial deflection of the laser beam at very high processing speeds. These can still be
  • the z. B. provided with an anti-corrosion coating, such as galvanized steel sheets.
  • the coating usually has a low boiling point, which is far below the melting point of the sheet material.
  • the welding of coated sheets leads to the sudden evaporation of the coating material, which leads to welding defects such as pervious seams, connection defects, splashes and holes, especially in the case of overlapping joints.
  • the coating in the component area to be welded is removed in advance of the welding.
  • a method for laser beam welding of two coated sheets in which in a first process step, the coating is partially evaporated by heating by means of laser beam.
  • the sheets are welded in the stripped area.
  • the first and second steps are performed alternately in the manner of a stitching.
  • a disadvantage of this method is the additional time required to remove the coating, as well as the non-continuous seam design.
  • Lap joint by means of remote laser welding possible is usually welded free of additional materials, since the supply of additional wire is not or only very expensive possible due to the large HäabStandes of remote welding. Because of the poor Spaltüberbrückiana also is usually welded to the technical zero gap, which leads to seam defects by zinc degassing even with this seam shape.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for the remote laser beam welding of coated sheets, with which the seam quality can be further improved and which does not have the disadvantages described above or to a reduced extent.
  • Patent claim 1 Further advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • the method according to the invention for the remote laser beam welding of at least two sheets wherein at least one sheet has a coating with low
  • a laser beam is moved along a welding contour to produce a weld at a welding speed.
  • the laser beam executes an oscillation movement which is superimposed on the welding speed.
  • the energy input into the joint is made by one of the
  • Oscillation movement-dependent power modulation controlled such that the energy input into at least one
  • the power modulation is done by changing the power of the laser beam.
  • the focus position of the laser beam remains unchanged during the process, the laser beam is preferably focused on the weld.
  • the process improves the gap bridgeability and reduces the influence of the vaporized zinc by reducing the impact of zinc
  • Melt bath amount is increased at the surface, without increasing the proportion of evaporated zinc to the same extent.
  • Oszillationsrand Symposium has only a small melt bath depth.
  • the power is compared with the maximum welding power used for welding
  • Welding power chosen so that welding in the deep welding effect to form a keyhole.
  • the reduced power is compared to the maximum welding power significantly reduced, ie to the extent that they melt pool in the root area, so the
  • the laser beam is fired at a welding speed along the welding contour, i. the intended course of the
  • the oscillatory movement is a periodic, undamped oscillation of the laser beam over the component surface, along and / or transverse to the welding direction.
  • the oscillation takes place with a frequency of at least 150 Hz, preferably at least 200 Hz.
  • the amplitude of the oscillation is preferably in the range of 0, 7 to 2 mm.
  • the Oszillationsrand Council denotes the outer 25% of the oscillatory motion and closes the reversal point of
  • Overlap includes power modulation in one Embodiment that is welded with reduced power, while the laser beam is deflected laterally to the welding direction on a Oszillationsrand Scheme on the lower plate.
  • further welding is performed with reduced power, as long as the laser beam is deflected laterally to the welding direction in the direction of the lower plate.
  • the oscillation preferably takes place centrally of the welding contour.
  • the quality of the fillet weld can be further enhanced by reducing the influence of zinc degassing, in that the power modulation further includes reduced power welding while the laser beam is deflected to an oscillating edge region on the top plate.
  • Laser blasting performance is such that in
  • Oszillationsrand Scheme of the upper sheet takes place a superficial Aufseitschmelzung so that the arranged between the components zinc layer does not evaporate or only to a small extent.
  • the power reduction during oscillation over the lower plate can be due to the
  • Lateral deflection means that the laser beam is offset laterally next to the welding contour in the welding direction.
  • the welding contour does not have to coincide with the component abutment, but can be offset laterally to this, e.g. be on the top sheet, be.
  • Forward or forward deflected means that the laser beam is in
  • Welding direction is located in front of the weld. For a stronger demarcation between areas with deep
  • a harmonic, e.g. Sinusoidal, vibration and the power modulation is such that the power of the laser beam changes suddenly between a first reduced power on the lower plate, a second reduced power in Oszillationsrand Scheme on the top plate and a maximum welding power.
  • the first reduced power is preferably lower in value than the second reduced power.
  • Oszillationsrand Scheme above the top plate is 60% to 90%, preferably 65% to 75%, of the maximum welding power.
  • the leading oscillatory movement is preferably one of the welding position leading, harmonic, eg sinusoidal, vibration along the welding direction, so that the laser beam is deflected to a pre-contact point, which is located in front of the welding position and returned to the welding position, causing a sawtooth-like movement of the laser beam on the
  • the power of the laser beam is continuously, preferably sinusoidally, modulated between the maximum welding power at the welding point and the minimum power at the forward turning point of the oscillation.
  • the vapor capillary will be in
  • the welding speed can be kept constant, so that the improved welding conditions can be done without loss of production times.
  • the minimum power is on
  • Reversal point of the leading oscillation preferably to 30% to 10%, in particular to 20% to 10%, of the maximum welding power reduced.
  • a well controllable process design results when, in one embodiment, the welding speed is kept constant.
  • Figure 1 is a plan view of a component arrangement in
  • Figure 2 shows the course of Strahloszillation
  • Figure 2A shows the course of Strahloszillation
  • Figure 3 is a Thomasansieht a with the inventive
  • Figure 5 shows the course of Strahloszillation
  • Figure 6 is a schematic representation of the trajectory of
  • Figure 1 shows a first and second component 10 and 20 in the form of galvanized steel sheets, which in the lap joint
  • a fillet weld is to be formed.
  • a laser beam L is moved along a welding contour 30 over the components.
  • the laser beam L describes a trajectory B, resulting from a constant
  • the welding contour can also be provided laterally offset from the abutting edge 12, e.g. moved by a predefined distance on the top plate 10.
  • the welding contour 30 shown in FIG. 1 is a straight line, it can of course also have a different course, e.g. have a curved course.
  • FIG. 2 shows the course of the oscillatory movement 100 in the y direction (transverse to the welding direction) over time t.
  • the oscillatory movement 100 is a sinusoidal oscillation transverse to the welding direction X with the amplitude A.
  • the Oscillation 100 takes place centrally to the welding contour 30, ie the laser beam L oscillates transversely to the welding contour in the y direction or. -y direction and is alternately deflected in each case by the amplitude A in the direction of the upper plate 10 (y-direction) or the lower plate 20 (-y direction).
  • the power modulation 200 is furthermore the time curve of the laser power P over the time t
  • the laser power P is abruptly modulated between a maximum welding power PMAX and a reduced laser power PI.
  • PI is in this
  • Embodiment 20 percent of the maximum welding power PMAX. The time of the change of service takes place in
  • Laser beam L is deflected in the direction of the upper plate 10, and it is welded with reduced laser power PI, while the laser beam is deflected in the direction of the lower plate 20.
  • the power of the laser beam L is reduced to the value PI not only in the lateral oscillation margin RB1, but throughout the oscillation movement 100 directed to the sub-plate 20.
  • the sudden power modulation 200 takes place when the laser beam L crosses the welding contour 30 (at the times t1, t2, t3, etc.).
  • FIG. 2A shows an alternative power modulation 200A as a function of the oscillatory movement 100.
  • Oscillation movement 100 in this exemplary embodiment is the same sinusoidal oscillation as in FIG. 2
  • the power modulation 200A occurs abruptly between a maximum welding power PMAX, a first reduced power PI and a second reduced
  • the maximum for the weld is
  • the power modulation 200A is similar to the modulation 200 of the first embodiment.
  • the welding power P is abruptly reduced to a second reduced power P2 (70% of PMAX) as and when the laser beam enters a lateral oscillation margin RB2 on the
  • FIG. 3 shows by way of example a cross section through a
  • Strahloszillation and power modulation can be formed.
  • the edges of the upper sheet 10 are through the
  • the inventive method can also be used to form an I-seam on the lap joint, as illustrated by another embodiment of Figures 4 to 6.
  • the laser beam L is directed onto two overlapping components 10A and 2OA in the form of galvanized steel sheets and along a
  • Weld contour 30A is shown by way of example as a straight line, but may also have other shapes.
  • the welding speed V will continue to be a
  • the power reaches its minimum when the oscillation movement reaches its maximum (at the time t1, t3, t5, etc.). At times when the value of the oscillatory motion is zero (t2, t4, etc.), the maximum power PMAX is welded.
  • the minimum power P3 is chosen so that in the leading
  • Oszillationsrand Colour RB3 (shown in Figure 5 as a thickening on the curve 300), i. the outer 25% of the leading jet movement, an energy input results, which causes evaporation of the zinc, especially in the joint gap between the sheets 10A and 20A, without being in the
  • the minimum power is 20% of the maximum
  • Welding direction is elongated, while the laser beam in the leading area causes evaporation of the zinc and thus increases the time window for the zinc degassing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen von zumindest zwei Blechen (10, 20), wobei mindestens ein Blech (10, 20) eine Beschichtung mit niedrigem Siedepunkt aufweist, insbesondere zum Schweißen von verzinkten Stahlblechen (10, 20), bei dem ein Laserstrahl (L) zur Erzeugung einer Schweißnaht mit einer Schweißgeschwindigkeit (V) entlang einer Schweißkontur (30) bewegt wird, wobei der Laserstrahl (L) eine Oszillationsbewegung (100) ausführt, die der Schweißgeschwindigkeit (V) überlagert ist, wobei der Energieeintrag in die Fügestelle durch eine von der Oszillationsbewegung abhängige Leistungsmodulation derart gesteuert wird, dass der Energieeintrag in zumindest einen seitlichen Oszillationsrandbereich (RB1, RB2) oder einen vorlaufenden Oszillationsrandbereich das Schmelzbadvolumen erhöht, jedoch die Größe der Schmelzbadfläche im Wurzelbereich unbeeinflusst lässt.

Description

VERFAHREN ZUM REMOTE-LASERSTRAH LSCHWEISSEN MIT ÜBERLAGERTER OSZILLATIONBEWEGUNG DES LASERSTRAHLES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Remote- Laserstrahlschweißen von mindestens zwei Blechen, wobei zumindest ein Blech eine Beschichtung aufweist .
Beim Remote-Laserstrahlschweißen wird ein Laserstrahl über ein ScannerSystem auf die zu bearbeitenden Bauteile gerichtet und über diese geführt . Das ScannerSystem erlaubt eine ein- oder mehrachsige Ablenkung des Laserstrahls mit sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten . Diese lassen sich noch
steigern, wenn das Schweißen „on-the-fly" erfolgt, d.h. wenn das ScannerSystem an einer beweglichen Mechanik, wie z . B . einem Industrieroboter montiert ist und von dieser bewegt wird . Üblicherweise erfolgt das Remote-Laserstrahlschweißen mit einem großen Arbeitsabstand von z . B . mehr als 0,4 m zur Schweißstelle .
In der Automobiltechnik werden häufig beschichtete Bleche verwendet , die z . B . mit einer Antikorrosionsbeschichtung versehen sind, wie beispielsweise verzinkte Stahlbleche . Die Beschichtung weist dabei meist einen niedrigen Siedepunkt auf, der weit unter dem Schmelzpunkt des Blechmaterials liegt . Beim Schweißen beschichteter Bleche kommt es zur plötzlichen Verdampfung des Beschichtungsmaterials , was insbesondere bei ÜberlappVerbindungen zu Schweißfehlem wie porendurchsetzten Nähten, Anbindungsfehlem, Spritzern und Löchern führt .
Bisherige Lösungsansätze zur Verbesserung der Zinkentgasung sehen die Einstellung eines definierten EntgasungsSpaltes vor . So ist z . B . aus der Druckschrift DE 10 2014 006 077 B3 bekannt, noppenartige Erhöhungen auf einem der Fügepartner mittels Laserstrahlschmelzen bereitzustellen. Nachteilig an dieser Lösung ist der zusätzliche Arbeitsschritt zur
Herstellung der Erhöhung sowie die erforderlichen aufwendigen Spannsysteme zur Bauteilfixierung . In einem weiteren Ansatz wird die BeSchichtung in dem zu verschweißenden Bauteilbereich im Vorfeld der Schweißung entfernt . So ist z.B. aus der Druckschrift DE 103 09 157 B4 ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen zweier beschichteter Bleche bekannt, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt die BeSchichtung durch Erwärmen mittels Laserstrahl bereichsweise verdampft wird . In einem nachfolgenden zweiten Schritt werden die Bleche in dem entschichteten Bereich verschweißt . Der erste und zweite Schritt werden alternierend in der Art einer Steppnaht ausgeführt . Nachteilig an diesem Verfahren sind der zusätzliche Zeitaufwand zur Entfernung der BeSchichtung, sowie die nichtkontinuierliche Nahtgestaltung .
Durch moderne echtzeitfähige NahtverfolgungsSysteme ist mittlerweile auch das Schweißen von Kehlnähten am
Überlappstoß mittels Remote-Laserschweißen möglich . Hierbei wird üblicherweise zusatzwerkstofffrei geschweißt, da die Zufuhr von Zusatzdraht aufgrund des großen ArbeitsabStandes des Remote-Schweißens nicht oder nur sehr aufwendig möglich ist . Wegen der schlechten Spaltüberbrückbarkeit wird zudem üblicherweise am technischen Nullspalt geschweißt, was auch bei dieser Nahtform zu Nahtfehlern durch Zinkentgasung führt .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen von beschichteten Blechen anzugeben, mit dem die Nahtqualität weiter verbessert werden kann und das die voranstehend beschriebenen Nachteile nicht oder in verringertem Maße aufweist .
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen des
Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben . Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Remote- Laserstrahlschweißen von mindestens zwei Blechen, wobei zumindest ein Blech eine Beschichtung mit niedrigem
Siedepunkt aufweist, insbesondere zum Schweißen von
verzinkten Stahlblechen, wird ein Laserstrahl zur Erzeugung einer Schweißnaht mit einer Schweißgeschwindigkeit entlang einer Schweißkontur bewegt . Hierbei führt der Laserstrahl eine Oszillationsbewegung aus , die der Schweißgeschwindigkeit überlagert ist . Zur Verbesserung der Nahtqualität wird der Energieeintrag in die Fügestelle durch eine von der
Oszillationsbewegung abhängige Leistungsmodulation derart gesteuert, dass der Energieeintrag in zumindest einen
seitlichen Oszillationsrandbereich oder einen Vorlaufenden Oszillationsrandbereich das Schmelzbadvolumen erhöht, jedoch die Größe der Schmelzbadfläche im Wurzelbereich unbeeinflusst lässt .
Die Leistungsmodulation erfolgt durch Änderung der Leistung des Laserstrahls . Die Fokuslage des Laserstrahls bleibt während des Verfahrens unverändert, der Laserstrahl ist vorzugsweise auf die Schweißstelle fokussiert .
Das Verfahren verbessert die Spaltüberbrückbarkeit und reduziert den Einfluss des verdampften Zinks , indem die
Schmelzbadmenge an der Oberfläche gesteigert wird, ohne den Anteil an verdampftem Zink in gleichem Maße zu steigern .
Insbesondere wird ein Schmelzbad erzeugt, das im
Oszillationsrandbereich nur eine geringe Schmelzbadtiefe aufweist .
Im Oszillationsrandbereich wird die Leistung gegenüber der maximalen, zum Schweißen verwendeten, Schweißleistung
signifikant reduziert . Üblicherweise wird die maximale
Schweißleistung so gewählt, dass im Tiefschweißeffekt unter Ausbildung eines Keyhole geschweißt wird . Die reduzierte Leistung ist gegenüber der maximalen Schweißleistung signifikant reduziert, d.h. soweit, dass sie die Schmelzbadfläche im Wurzelbereich, also die
Querschnittsfläche im untersten Schmelzbadbereich, nicht weiter vergrößert . Vorzugsweise ist die signifikant
reduzierte Leistung soweit reduziert, dass durch sie kein Tiefschweißeffekt entsteht bzw . kein Keyhole ausgebildet wird .
Der Laserstrahl wird mit einer Schweißgeschwindigkeit entlang der Schweißkontur, d.h. dem beabsichtigten Verlauf der
Schweißnaht, geführt . Zusätzlich wird die
Oszillationsbewegung überlagert .
Die Oszillationsbewegung ist eine periodische, ungedämpfte Schwingung des Laserstrahls über die Bauteiloberfläche, längs und/oder quer zur Schweißrichtung . Die Oszillation erfolgt mit einer Frequenz von mindestens 150 Hz , vorzugsweise mindestens 200 Hz . Die Amplitude der Oszillation liegt vorzugsweise im Bereich von 0 , 7 bis 2 mm .
Der Oszillationsrandbereich bezeichnet die äußeren 25 % der Oszillationsbewegung und schließt den Umkehrpunkt der
Oszillationsbewegung ein . Der seitliche
Oszillationsrandbereich liegt mit Bezug auf die
Schweißrichtung seitlich neben der Schweißstelle und der vorlaufende Oszillationsrandbereich liegt in Schweißrichtung vor der Schweißstelle am vorderen Rand der
Oszillationsbewegung . Als Schweißstelle wird hierbei
diej enige Position auf dem Werkstück bezeichnet, an dem der Laserstrahl positioniert wäre, wenn seiner Bewegung lediglich die Schweißgeschwindigkeit, nicht aber die Oszillation zugrunde gelegt würde .
Zur Reduzierung von Durchschweißungen und Verbesserung der Anbindung der Bauteile bei Ausbilden einer Kehlnaht am
Überlappstoß beinhaltet die Leistungsmodulation in einer Ausgestaltung, dass mit reduzierter Leistung geschweißt wird, während der Laserstrahl seitlich zur Schweißrichtung auf einen Oszillationsrandbereich auf dem Unterblech ausgelenkt ist . In einer bevorzugten Ausgestaltung wird weiterhin mit reduzierter Leistung geschweißt, solange der Laserstrahl seitlich zur Schweißrichtung in Richtung auf das Unterblech ausgelenkt ist . Zur Aufweitung der Schmelzbadoberfläche erfolgt die Oszillation bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise mittig zur Schweißkontur .
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Qualität der Kehlnaht durch Reduzierung des Einflusses der Zinkentgasung weiter gesteigert werden, indem die Leistungsmodulation weiterhin ein Schweißen mit reduzierter Leistung beinhaltet, während der Laserstrahl auf einen Oszillationsrandbereich auf dem Oberblech ausgelenkt ist . Die Reduzierung der
LaserStrahlleistung erfolgt so, dass im
Oszillationsrandbereich des Oberblechs eine oberflächliche MaterialaufSchmelzung stattfindet, so dass die zwischen den Bauteilen angeordnete Zinkschicht nicht oder nur in geringem Maße verdampft . In Kombination mit der Leistungsreduzierung bei Oszillation über das Unterblech kann aufgrund des
vergrößerten Schmelzbadvolumens eine Nahtüberbrückbarkeit von bis zu 1 , 5 Millimeter prozesssicher erreicht werden .
Aufwendige Spannsysteme können bei dieser Ausgestaltung reduziert werden oder sogar ganz entfallen .
Der Begriff ausgelenkt ist im Rahmen dieser Anmeldung mit Bezug auf die vorbestimmte Schweißkontur und Schweißstelle zu verstehen . Seitlich ausgelenkt heißt, dass der Laserstrahl in Schweißrichtung seitlich neben die Schweißkontur versetzt ist . Die Schweißkontur muss hierbei nicht mit dem Bauteilstoß übereinstimmen, sondern kann seitlich versetzt zu diesem, z.B. auf das Oberblech versetzt , sein . Vorlaufend oder nach vorne ausgelenkt bedeutet, dass sich der Laserstrahl in
Schweißrichtung vor der Schweißstelle befindet . Zur stärkeren Abgrenzung zwischen Bereichen mit tiefem
Schmelzbad und Bereichen mit nur oberflächlicher
AufSchmelzung ist in einer Ausgestaltung die
Oszillationsbewegung eine harmonische, z.B. sinusförmige, Schwingung und die Leistungsmodulation erfolgt derart, dass die Leistung des Laserstrahls sprunghaft wechselt zwischen einer ersten reduzierten Leistung auf dem Unterblech, einer zweiten reduzierten Leistung im Oszillationsrandbereich auf dem Oberblech und einer maximalen Schweißleistung . Die erste reduzierte Leistung hat vorzugsweise einen geringeren Wert als die zweite reduzierte Leistung .
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die erste
reduzierte Leistung auf dem Unterblech 25 Prozent (%) bis
10%, vorzugsweise 20% bis 10%, der maximalen Schweißleistung und die zweite reduzierte Leistung des Laserstrahls im
Oszillationsrandbereich über dem Oberblech beträgt 60% bis 90%, vorzugsweise 65% bis 75%, der maximalen Schweißleistung .
In einer weiteren Ausgestaltung, die vorzugsweise zur
Ausbildung einer I-Naht am Überlappstoß verwendet wird, erfolgt die Oszillationsbewegung vorlaufend zur
Schweißgeschwindigkeit, wobei die Leistungsmodulation derart erfolgt, dass die minimale Leistung zumindest am vorlaufenden Umkehrpunkt der Oszillationsbewegung vorliegt und die
maximale Schweißleistung zumindest am hinteren Umkehrpunkt der Oszillationsbewegung vorliegt . Der vorauseilende Strahl mit der reduzierten Leistung bewirkt eine in den
Schweißprozess integrierte, vorauseilende Verdampfung der Beschichtung . Somit wird das Zeitfenster für die
Zinkentgasung vergrößert und Schweißnahtfehler können
reduziert werden . Hierbei ist die vorlaufende Oszillationsbewegung in einer Ausgestaltung vorzugsweise eine, der Schweißposition vorlaufende, harmonische, z.B. sinusförmige, Schwingung längs der Schweißrichtung, so dass der Laserstrahl bis an eine Vorlaufstelle ausgelenkt wird, die vor der Schweißposition liegt und an die Schweißposition zurückgeführt wird, wodurch sich eine sägezahnartige Bewegung des Laserstrahls auf dem
Bauteil ergibt . In dieser Ausgestaltung wird die Leistung des Laserstrahls kontinuierlich, vorzugsweise sinusförmig, zwischen der maximalen Schweißleistung an der Schweißstelle und der minimalen Leistung am Vorlaufenden Umkehrpunkt der Oszillation moduliert . Die Dampfkapillare wird in
Schweißrichtung in die Länge gezogen, so dass die Bedingungen zur Zinkentgasung verbessert sind . Vorteilhafter Weise kann die Schweißgeschwindigkeit konstant gehalten werden, so dass die verbesserten Schweißbedingungen ohne Einbuße hinsichtlich der Fertigungszeiten erfolgen kann .
In dieser Ausgestaltung ist die minimale Leistung am
Umkehrpunkt der vorauseilenden Oszillation vorzugsweise auf 30 % bis 10%, insbesondere auf 20% bis 10%, der maximalen Schweißleistung reduziert .
Eine gut steuerbare Prozessgestaltung ergibt sich, wenn in einer Ausgestaltung die Schweißgeschwindigkeit konstant gehalten wird .
Grundsätzlich ist es auch denkbar, eine zweidimensionale Oszillation in Längs-und Querrichtung zur Schweißrichtung zu verwenden, wie z.B. eine liegende Acht, um die beschriebenen Vorteile zu erzielen .
Durch das voranstehend beschriebene Verfahren kann die
Qualität der Schweißnaht ohne Verwendung eines
ZusatzWerkstoffs, wie z.B. eines Zusatzdrahtes , deutlich verbessert werden . Durch die größere Menge an Schmelzbad wird die Spaltüberbrückbarkeit erhöht, wodurch die Anforderungen an den Bauteilstoß reduziert werden können . Es können weniger Spannelemente verwendet werden, was zu einem Zeitgewinn und einer höheren Flexibilität in der Produktion führt.
Gleichzeitig kann die Nahtqualität gesteigert werden durch die verbesserte bzw . verringerte Zinkentgasung . Auch ohne Verwendung eines Prozessgases lassen sich gute
Nahtoberflächen erzielen . Das voranstehend beschriebene Verfahren eignet sich somit insbesondere zur Verwendung zum zusatzwerkstofffreien Schweißen von verzinkten Stahlblechen im Überlappstoß .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im
Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der
Ausführungsbeispiele . Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die
technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche
technische Umsetzung .
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der
beiliegenden Zeichnungen erläutert . Darin zeigen :
Figur 1 eine Draufsicht auf eine Bauteilanordnung im
Überlappstoß zur Ausbildung einer Kehlnaht,
Figur 2 den Verlauf von Strahloszillation und
Leistungsmodulation über der Zeit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ,
Figur 2A den Verlauf von Strahloszillation und
Leistungsmodulation über der Zeit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ,
Figur 3 eine Schnittansieht einer mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren ausgebildeten Kehlnaht, Figur 4 Draufsicht auf zwei im Überlappstoß angeordnete
Bleche zur Ausbildung einer I-Naht ,
Figur 5 den Verlauf von Strahloszillation und
Leistungsmodulation über der Zeit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ,
Figur 6 eine schematische Darstellung der Bahnkurve des
Laserstrahls .
Figur 1 zeigt ein erstes und zweites Bauteil 10 und 20 in Form von verzinkten Stahlblechen, die im Überlappstoß
angeordnet sind und an deren Stoßkante 12 mittels Remote- Laserstrahlschweißung eine Kehlnaht ausgebildet werden soll . Hierzu wird ein Laserstrahl L entlang einer Schweißkontur 30 über die Bauteile bewegt . Der Laserstrahl L beschreibt eine Bahnkurve B, die sich aus einer konstanten
Schweißgeschwindigkeit V in Schweißrichtung X, sowie einer Oszillationsbewegung 100 quer zur Schweißrichtung
zusammensetzt . Die in Figur 1 dargestellte Bahnkurve ist rein schematisch dargestellt, tatsächlich erfolgen sehr viel mehr Schwingungen, so dass der Laserstrahl den Oszillationsbereich OB zwischen den Umkehrpunkten der Oszillationsbewegung 100 annähernd flächendeckend überstreicht .
In Figur 1 ist die Schweißkontur 30 , d.h. der beabsichtigte Verlauf der Lasernaht, identisch mit der Stoßkante 12
dargestellt . Alternativ kann die Schweißkontur auch seitlich versetzt zur Stoßkante 12 vorgesehen sein, z.B. um eine vordefinierte Strecke auf das Oberblech 10 verschoben . Obwohl die in Figur 1 dargestellte Schweißkontur 30 eine Gerade ist, kann diese selbstverständlich auch einen anderen Verlauf, z.B. einen bogenförmigen Verlauf aufweisen .
Figur 2 zeigt den Verlauf der Oszillationsbewegung 100 in y- Richtung (quer zur Schweißrichtung) über der Zeit t . Die Oszillationsbewegung 100 ist eine sinusförmige Schwingung quer zur Schweißrichtung X mit der Amplitude A . Die Oszillationsbewegung 100 erfolgt mittig zur Schweißkontur 30, d.h. der Laserstrahl L pendelt quer zur Schweißkontur in y- Richtung bzw . -y-Richtung und wird abwechselnd j eweils um die Amplitude A in Richtung auf das Oberblech 10 (y-Richtung) oder das Unterblech 20 ( -y-Richtung) ausgelenkt .
In Figur 2 ist weiterhin die Leistungsmodulation 200 als der zeitliche Verlauf der Laserleistung P über der Zeit t
dargestellt . Die Laserleistung P wird sprunghaft zwischen einer maximalen Schweißleistung PMAX und einer reduzierten Laserleistung PI moduliert . PI beträgt in diesem
Ausführungsbeispiel 20 Prozent der maximalen Schweißleistung PMAX . Der Zeitpunkt der Leistungsänderung erfolgt in
Abhängigkeit der Oszillationsbewegung 100. Das Schweißen mit maximaler Schweißleistung PMAX erfolgt, während der
Laserstrahl L in Richtung auf das Oberblech 10 ausgelenkt ist, und es wird mit reduzierter Laserleistung PI geschweißt, während der Laserstrahl in Richtung auf das Unterblech 20 ausgelenkt ist . Die Leistung des Laserstrahls L ist nicht nur im seitlichen Oszillationsrandbereich RB1 auf den Wert PI verringert , sondern während der gesamten auf das Unterblech 20 gerichteten Oszillationsbewegung 100.
Die sprunghafte Leistungsmodulation 200 erfolgt, wenn der Laserstrahl L die Schweißkontur 30 kreuzt ( zu den Zeitpunkten t1 , t2 , t3 , usw . ) .
Figur 2A zeigt eine alternative Leistungsmodulation 200A in Abhängigkeit der Oszillationsbewegung 100. Die
Oszillationsbewegung 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel die gleiche sinusförmige Schwingung, wie zu Figur 2
beschrieben .
Die Leistungsmodulation 200A erfolgt sprunghaft zwischen einer maximalen Schweißleistung PMAX, einer ersten reduzierten Leistung PI und einer zweiten reduzierten
Leistung P2 in Abhängigkeit der Oszillationsbewegung 100.
Genauer gesagt , wird die für die Schweißung maximal
verwendete Leistung PMAX auf den ersten reduzierten Wert PI
(20% von PMAX) verringert, wenn und solange der Laserstrahl L durch die Oszillationsbewegung 100 in Richtung auf das
Unterblech 20 ausgelenkt ist . Mit Kreuzen der Schweißkontur 30 in Richtung auf das Oberblech 10 wird die Leistung P des Laserstrahls L sprunghaft auf die maximale Schweißleistung
PMAX angehoben . Insofern gleicht die Leistungsmodulation 200A der Modulation 200 des ersten Ausführungsbeispiels .
Im Verlauf der Oszillation über das Oberblech 10 erfolgt j edoch eine weitere Leistungsänderung . Die Schweißleistung P wird sprunghaft auf eine zweite reduzierte Leistung P2 (70% von PMAX) verringert, sobald und solange der Laserstrahl in einen seitlichen Oszillationsrandbereich RB2 auf dem
Oberblech ausgelenkt ist, d.h. die äußeren 25% der
Oszillationsbewegung über dem Oberblech ausführt . Verlässt der Laserstrahl L den Oszillationsrandbereich RB2 wieder in Richtung Schweißkontur 30 , so wird die Leistung P erneut auf den Maximalwert PMAX angehoben . Die Leistungsreduktionen auf die Werte PI bzw . P2 werden so gewählt, dass der Energieeintrag durch die reduzierten
Laserleistungen PI und P2 lediglich eine oberflächliche
MaterialaufSchmelzung bewirkt . Mit den beschriebenen Leistungsmodulationen 200, 200A wird die Breite des Schmelzbads an der Oberfläche gesteigert ohne Vergrößerung der Schmelzbadfläche im Wurzelbereich . So wird zusätzliches Schmelzbadvolumen bereitgestellt, ohne dass der Anteil an verdampftem Zink nennenswert gesteigert wird . Dies resultiert in einer deutlich gesteigerten
Spaltüberbrückbarkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Nahtqualität durch Reduzierung des Einflusses der Zinkentgasung .
Figur 3 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine
Kehlnaht, wie sie mit der beschriebenen Kombination aus
Strahloszillation und Leistungsmodulation ausgebildet werden kann . Die Kanten des Oberblechs 10 werden durch die
Schweißung sauber umgeschmolzen . Es wird eine Kehlnaht 40 mit deutlich größerem Verhältnis von Nahtbreite zu Nahttiefe erzeugt als dies mit herkömmlichem Laserschweißen ohne
Zusatzdraht möglich ist, beispielsweise mit einem Verhältnis von 4:1. Weiterhin können Durchschweißungen vermieden werden, es kommt zu einer zuverlässigen Einschweißung, wobei die Zinkschicht auf der Unterseite des Unterblechs 20 intakt bleibt .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso zum Ausbilden einer I-Naht am Überlappstoß eingesetzt werden, wie anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels durch die Figuren 4 bis 6 veranschaulicht .
Zur Ausbildung einer I-Naht wird der Laserstrahl L auf zwei überlappend angeordnete Bauteile 10A und 2 OA in Form von verzinkten Stahlblechen gerichtet und entlang einer
Schweißkontur 30A über diese in Schweißrichtung X mit einer konstanten Schweißgeschwindigkeit V geführt . Die
Schweißkontur 30A ist beispielhaft als Gerade dargestellt, kann jedoch auch andere Formen aufweisen . Der Schweißgeschwindigkeit V wird weiterhin eine
Oszillationsbewegung 300 längs der Schweißrichtung X
überlagert, die in Figur 5 in Abhängigkeit der Zeit t
dargestellt ist . Die Oszillationsbewegung 300 pendelt
sinusförmig zwischen dem Wert Null zu den Zeitpunkten t0 , t2 , t4 , usw . und einem Maximalwert ΔΧΜ zu den Zeitpunkten t1 , t3 , t5 , usw . Die Oszillationsbewegung 100B findet ausschließlich in
Schweißrichtung X und vorlaufend zu der durch die
Schweißgeschwindigkeit V vorgegebenen Position des
Laserstrahls L statt . Hierdurch ergibt sich die in Figur 6 als Bl dargestellte Bahnkurve des Laserstrahls . Im Vergleich zu einer Bewegung mit der Schweißgeschwindigkeit V ohne überlagerte Oszillation (dargestellt als Gerade 50 ) wird der Laserstrahl durch die überlagerte Oszillationsbewegung nun sägezahnartig entlang der Schweißkontur in Schweißrichtung X vorwärts bewegt, d.h. die Laserstrahlposition eilt der
Schweißgeschwindigkeit V zeitweise voraus , wie z . B . zum
Zeitpunkt 11 , wo sich der Strahl bereits am Ort x l befindet, bevor er wieder auf den der Schweißgeschwindigkeit V
entsprechenden Ort X2 zum Zeitpunkt t2 zurückkehrt .
Zur Erzielung einer verbesserten Nahtqualität wird die
Leistung sinusförmig in Abhängigkeit der Oszillationsbewegung zwischen einer maximal zum Schweißen verwendeten
Schweißleistung PMAX und einer minimalen Leistung P3
moduliert ( s . Figur 5) . Hierbei erreicht die Leistung ihr Minimum, wenn die Oszillationsbewegung ihr Maximum erreicht ( zum Zeitpunkt t1 , t3 , t5 , usw . ) . Zu den Zeitpunkten, wenn der Wert der Oszillationsbewegung Null ist ( t2 , t4, usw . ) , wird mit der maximalen Leistung PMAX geschweißt . Die minimale Leistung P3 wird so gewählt, dass sich im vorlaufenden
Oszillationsrandbereich RB3 (dargestellt in Figur 5 als Verdickung auf der Kurve 300) , d.h. den äußeren 25% der Vorlaufenden Strahlbewegung, ein Energieeintrag ergibt , der eine Verdampfung des Zinks , vor allem im Fügespalt zwischen den Blechen 10A und 20A, bewirkt, ohne dass es im
vorlaufenden Oszillationsrandbereich RB3 bereits zu einer AufSchmelzung beider Bleche käme . In dem Ausführungsbeispiel beträgt die minimale Leistung 20% der maximalen
Schweißleistung . Die Nahtqualität profitiert von den verbesserten Zinkentgasungsbedingungen, da die Dampfkapillare in
Schweißrichtung langgestreckt wird, während der Laserstrahl in dem vorlaufenden Bereich eine Verdampfung des Zinks bewirkt und somit das Zeitfenster für die Zinkentgasung vergrößert .
Die voranstehend beschriebenen Verfahren werden mit einer Remote-Laserstrahlschweißanlage durchgeführt, die
vorzugsweise über ein, aus dem Stand der Technik bekanntes , echtzeitfähiges optisches NahtführungsSystem verfügt .
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßStabsgetreu und nicht beschränkend . Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich .
Bezugs zeichenliste
10, 10A Bauteil
12 Stoßkante
20, 20A Bauteil
30, 30A Schweißkontur
40 Kehlnaht
50 Gerade
100, 300 Oszillationsbewegung
200, 200A, 400 Leistungsmodulation
A Amplitude
B, Bl Bahnlinie
L Laserstrahl
OB Oszillationsbereich
P, PMAX, PI, P2, P3 Laserleistung
RB1, RB2, RB3 Oszillationsrandbereich
X Schweißrichtung
Y Richtung quer zur Schweißrichtung
X1 , X2 , .. Ort
t , 10 , 11 , t2 , ... Zeit
ΔΧΜ Maximalwert der Oszillation

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen von zumindest zwei Blechen, wobei mindestens ein Blech eine BeSchichtung mit niedrigem Siedepunkt aufweist, insbesondere zum Schweißen von verzinkten Stahlblechen,
bei dem ein Laserstrahl (L) zur Erzeugung einer Schweißnaht mit einer Schweißgeschwindigkeit (V) entlang einer
Schweißkontur (30, 30A) bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Laserstrahl (L) eine Oszillationsbewegung (100; 300) ausführt, die der Schweißgeschwindigkeit (V) überlagert ist, wobei der Energieeintrag in die Fügestelle durch eine von der Oszillationsbewegung abhängige Leistungsmodulation (200;
200A; 400) derart gesteuert wird, dass der Energieeintrag in zumindest einen seitlichen Oszillationsrandbereich (RB1 , RB2 ) oder einen vorlaufenden Oszillationsrandbereich (RB3 ) das Schmelzbadvolumen erhöht, jedoch die Größe der
Schmelzbadfläche im Wurzelbereich unbeeinflusst lässt .
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
eine Kehlnaht (40) am Überlappstoß ausgebildet wird und die Leistungsmodulation (200; 200A) beinhaltet, dass mit reduzierter Leistung ( PI ) geschweißt wird, während der
Laserstrahl (L) seitlich zur Schweißrichtung (X) auf einen Oszillationsrandbereich (RB1 ) auf dem Unterblech (20)
ausgelenkt ist .
3. Verfahren nach Patentanspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsmodulation (200A) beinhaltet, dass mit
reduzierter Leitung (P2) geschweißt wird, während der
Laserstrahl (L) auf einen Oszillationsrandbereich (RB2) auf dem Oberblech (10) ausgelenkt ist .
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oszillationsbewegung ( 10 OA) eine harmonische Schwingung ist und
die Leistungsmodulation (200A) derart erfolgt, dass die
Leistung des Laserstrahls (L) sprunghaft wechselt zwischen einer ersten reduzierten Leistung ( PI ) auf dem Unterblech (20) , einer zweiten reduzierten Leistung (P2) im
Oszillationsrandbereich (RB2 ) auf dem Oberblech (10) und einer maximalen Schweißleistung ( PMAX) .
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste reduzierte Leistung ( PI ) auf dem Unterblech (20) 25% bis 10%, vorzugsweise 20% bis 10%, der maximalen
Schweißleistung ( PMAX) beträgt und
die zweite reduzierte Leistung (P2) im
Oszillationsrandbereich (RB2 ) auf dem Oberblech (10) 60% bis 90%, vorzugsweise 65% bis 75%, der maximalen Schweißleistung (PMAX) beträgt .
6. Verfahren nach Patentanspruch 1 , vorzugsweise verwendet zum Ausbilden einer I-Naht am Überlappstoß ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oszillationsbewegung (300) vorlaufend zur
Schweißgeschwindigkeit (V) erfolgt und
die Leistungsmodulation (400) derart erfolgt, dass eine minimale Leistung ( P3 ) zumindest am vorlaufenden Umkehrpunkt der Oszillationsbewegung (300) vorliegt und die maximale
Schweißleistung ( PMAX) zumindest am hinteren Umkehrpunkt der Oszillationsbewegung (300) vorliegt .
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsbewegung (300) eine harmonische Schwingung ist und die Leistung kontinuierlich, vorzugsweise
sinusförmig, moduliert wird .
8. Verfahren nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass
die minimale Leistung (P3) am Umkehrpunkt der vorauseilenden Oszillationsbewegung (300) auf 30 % bis 10%, vorzugsweise 20% bis 10%, der maximalen Schweißleistung (PMAX) reduziert ist .
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schweißgeschwindigkeit (V) konstant gehalten wird .
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 zum zusatzwerkstofffreien Schweißen von verzinkten Stahlblechen .
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