WO2019110585A1 - LASERSTRAHL-SCHWEIßVERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN VON WENIGSTENS ZWEI WERKSTÜCKEN UND LASERBEARBEITUNGSSYSTEM ZUR BEARBEITUNG VON WENIGSTENS ZWEI BESCHICHTETEN WERKSTÜCKEN - Google Patents

LASERSTRAHL-SCHWEIßVERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN VON WENIGSTENS ZWEI WERKSTÜCKEN UND LASERBEARBEITUNGSSYSTEM ZUR BEARBEITUNG VON WENIGSTENS ZWEI BESCHICHTETEN WERKSTÜCKEN Download PDF

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Lutz König
Christian Fraas
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Precitec Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • Laser beam welding process for welding at least two workpieces and laser processing system for processing at least two coated
  • the present disclosure relates to a laser beam welding method for welding at least two workpieces and a laser processing system, in particular a laser welding system, for machining at least two workpieces.
  • a laser processing system in particular a laser welding system
  • the present disclosure relates to welding two coated workpieces, such as galvanized sheets.
  • the laser beam emerging from a laser light source for example the end of a laser fiber
  • a laser processing head with collimator optics and focusing optics is used, whereby the laser light is supplied via an optical fiber.
  • the laser light enters a laser material processing apparatus, e.g. in a laser processing head, by a variety of optical elements, such as e.g. Lenses, through.
  • EP 1 005 944 B1 describes a laser beam welding method for overlap seams on coated metal sheets, wherein a degassing space is provided for the coating material evaporating in the welding area.
  • a laser welding system to provide at least two workpieces that ensure smooth transitions from weld to original material without edges and notches and the production of cohesive welds, such as welds, in particular fillet welds on the overlap, with excellent acceptance and surface quality allow.
  • a further object is to provide a laser beam welding method for welding at least two coated workpieces and a laser processing system, in particular a laser welding system, for welding at least two coated workpieces, which enable a material-locking and pore-free connection of the workpieces independently of an angle of attack and where there is no need for any artificial degassing.
  • a laser processing system for - preferably angle-independent - welding of at least two overlapping workpieces.
  • An angle-independent welding means here that the welding can be performed on overlapping workpieces that collide at any angle. That is, the laser processing system may be arranged in particular for welding workpieces which abut one another at an angle between 0 ° and 90 °.
  • the laser processing system includes a processing head for directing a laser beam to a joining edge between the overlapping workpieces and a controller configured to adjust an energy input by the laser beam to the overlapping workpieces such that opposing surfaces of the overlapping workpieces substantially remain. The opposing surfaces may also be referred to as internal surfaces of the overlapping workpieces.
  • the controller may be configured to adjust the energy input so that a surface of at least one of the workpieces in an overlap region with the other workpiece remains substantially intact or unhurt.
  • Overlap area or enclosed area can be used to denote a region in which the surfaces of the two workpieces overlap or lie opposite one another. Preferably, surfaces remain unchanged in the edge region adjoining the seam or the weld seam / connection.
  • the welded joint can be formed both of a molten material of a first workpiece (lower plate) and of a molten material of a second workpiece (upper plate) overlapping the first workpiece.
  • the opposing surfaces of the two workpieces can according to the invention in the overlap area, ie in the enclosed area, remain intact.
  • the opposing surfaces may comprise surface areas lying on or abutting one another, on which the workpieces are in direct contact with one another.
  • the controller may further be configured to determine a position of a joining edge, an overlap or a seam course and a topography thereof between the workpieces, for example based on data of an optical system, camera system or a coherence tomograph.
  • the control of the position finding (tracking system), and / or the measurement of a gap between the joining partners can serve.
  • the energy input can be set so that a lower workpiece or lower plate is welded through, whereas an upper workpiece or upper plate is not.
  • upper workpiece denotes the workpiece of the at least two overlapping workpieces, which shadows the other "lower workpiece” in the laser beam direction, i. is closer to a machining head or a laser exit opening at a Versch bulkposition or along the seam path or along the joining edge.
  • the controller may be configured to set the energy input by the laser beam in such a way that the material, which has been melted on a surface of the workpieces facing the laser beam, forms a welded joint upstream of a contact surface of the workpieces as connecting compound.
  • At least one of the at least two workpieces may be coated, wherein the energy input by the controller is set such that, during welding, a coating is retained on regions of the workpieces which lie opposite one another.
  • the at least two workpieces may include a first workpiece having a first top and a first bottom and a second workpiece having a second top and a second bottom.
  • the second bottom may overlap a portion of the first top.
  • the surface in this region of the second underside and / or the first upper side can essentially be retained by the energy input during welding.
  • the laser processing system may be adapted to form a weld at the overlap or a fillet weld during welding.
  • the controller may be configured to oscillate the laser beam by means of deflection transversely to a machining direction in a scanning movement.
  • the control unit can be set up to control the energy input by setting one or more operating parameters of the laser processing system selected from a focus system. diameter of the laser beam to adjust an offset of the laser beam to a joining position, a scanning width of the laser beam, a scanning frequency of the laser beam and a laser power distribution.
  • the controller can adjust the energy input by modulating the laser power across the scan width.
  • the energy input can be adjusted via an optical beam shaping.
  • the controller may be configured to dynamically change the one or more operating parameters during welding. This can be done, for example, depending on a seam position, edge position or a position of the overlap of the two workpieces.
  • a laser beam welding method for - preferably angle inde pendent - welding of at least two overlapping workpieces specified.
  • the welding method comprises the steps of: directing a laser beam onto a joining edge between the overlapping workpieces, and guiding the laser beam along the joining edge, wherein an energy input by the laser beam is selected such that a surface facing away from the laser beam at least one of the workpieces in Essentially preserved.
  • the at least two workpieces may comprise coated workpieces, galvanized workpieces, or galvanized sheets.
  • the at least two workpieces can be arranged before welding in the seam area at an angle a abutting.
  • the angle a can be an acute angle or less than 45 °.
  • the at least two workpieces can be arranged one above the other at an angle of approximately 0 ° prior to welding in the seam area.
  • a laser beam welding process for welding at least two workpieces, for example a laser beam welding process for welds on overlap on coated metal sheets.
  • the method comprises guiding a laser beam along a seam, wherein an energy input by the laser beam is selected so that the coating is not or not completely evaporated at areas of the at least two workpieces which are opposite one another.
  • the laser beam welding method can be designed for angle-independent welding, and in particular can be set up for welding workpieces which abut one another at an angle between 0 ° and 90 °.
  • no through-welding of the at least two coated workpieces takes place.
  • the at least two coated workpieces preferably comprise a first workpiece having a first top side and a first bottom side and a second workpiece having a second top side and a second bottom side.
  • the second bottom may overlie a portion of the first top.
  • the coating can essentially be retained in this region of the second underside during welding.
  • the coating in a region of the first upper side, which the second underside overlies, can essentially be retained during welding.
  • the at least two workpieces are preferably arranged at an angle at an angle in the seam area prior to welding.
  • the angle may be in the range of 0 to 45 °, and may in particular be greater than 10 °.
  • the angle may be an acute angle, or about 0 °.
  • the weld is formed as a fillet weld.
  • the laser beam oscillates substantially perpendicular to a machining direction or feed direction.
  • the laser beam welding method further comprises adjusting the energy input by the laser beam by changing one or more operating parameters of a laser processing system.
  • the one or more operating parameters are selected from the group consisting of a focus diameter of the laser beam, an offset of the laser beam to a joining position, a scanning width of the laser beam, a scanning frequency of the laser beam and a laser power distribution.
  • a laser power can be varied over the scan width.
  • At least one operating parameter of the one or more operating parameters may be changed prior to welding and / or dynamically during welding.
  • the at least two coated workpieces are galvanized workpieces, and in particular galvanized sheets, such as galvanized steel sheets.
  • the at least two coated workpieces are intended for vehicle construction, and in particular for the body shop.
  • a laser processing system for processing at least two coated workpieces with a controller configured to perform one of the laser beam welding methods listed herein.
  • the laser processing system comprises a laser device for generating a laser beam and a controller which is set up in order to adjust an energy input by the laser beam to the at least two workpieces so that the coating at areas of the two workpieces, which are opposite to each other, not or not completely is evaporated.
  • a laser beam welding method for welding at least two overlapping workpieces with a laser processing system comprising: directing a laser beam to a joining edge between the overlapping workpieces and melting material of one of the workpieces to make a weld between the two workpieces; and guiding the laser beam along the joining edge, wherein a Energyein contribution by the laser beam for producing the welded joint is adjusted so that opposing surfaces of the workpieces or at least one surface of the opposing surfaces is substantially maintained.
  • a laser processing system for welding at least two overlapping workpieces, comprising: a machining head for directing a laser beam at a joining edge between the overlapping workpieces; and a controller configured to adjust an energy input by the laser beam to the overlapping workpieces so as to melt material of one of the workpieces to make a weld between the two workpieces, at least one surface from the opposing surfaces the workpieces is essentially retained.
  • two workpieces are welded, e.g. a bottom plate and a top plate, which overlaps the bottom plate, wherein the two opposite surfaces of the workpieces in the seam area remain intact.
  • control of the laser processing system may be directed to perform a method according to an embodiment described herein.
  • the coating is vaporized at the surface by targeted energy input. Enclosed coatings remain unaffected and can not lead to connection errors. The need for an artificial Entgasungsdorfkeit deleted thereby completely.
  • FIG. 3 shows a laser processing system according to embodiments of the present disclosure
  • FIGS. 4a to 4d show a welding of two workpieces without angles by setting different parameters of the laser beam according to embodiments of the present disclosure
  • FIG. 5 shows a modulation of the laser power as a function of the scan position according to embodiments of the present disclosure.
  • Figure 1 shows a welding of two workpieces 1, 2 at an angle according to embodiments of the present Offenbamng.
  • a welding of a first workpiece 1 and a second workpiece 2 is shown.
  • the first workpiece 1 may be a bottom plate and the second workpiece 2 may be a top plate.
  • the laser beam welding method for welding at least two workpieces 1, 2 comprises guiding a laser beam 10 along a seam 3, wherein an energy input to the at least two workpieces 1, 2 is selected by the laser beam 10, that the surfaces at areas of at least two workpieces 1, 2, which are opposed to each other (eg directly), not or only is slightly changed.
  • an energy input to the at least two workpieces 1, 2 is selected by the laser beam 10, that the surfaces at areas of at least two workpieces 1, 2, which are opposed to each other (eg directly), not or only is slightly changed.
  • the coating at opposite areas of the workpieces 1, 2, ie in an overlap region 8, not or not completely evaporated not or not completely evaporated.
  • the upper surface or coating in areas of the at least two workpieces 1, 2, which are opposed to each other substantially retained.
  • the first workpiece 1 is welded to the second workpiece 2 by means of a weld seam, for example an overlap seam or a fillet weld on the overlap.
  • the second workpiece 2 is welded along its end face, while the first workpiece 1 is welded along its surface.
  • a laser beam 10 is guided along the throat. Since the workpieces 1, 2 each have a coating, such as a zinc coating, it evaporates at the joining edge 3, as shown by the dashed lines.
  • a melt is generated, which solidifies and the workpieces 1, 2 interconnected.
  • the solidified melt 4 defines a Anbindequerrough 5 for the workpieces 1, 2nd
  • the welded connection takes place upstream of the actual contact surface of the workpieces 1, 2.
  • the material 6 melted on the second workpiece 2 (upper sheet) follows the force of gravity and the pressure generated, for example, by an oscillatory movement of the laser beam 10 towards the first workpiece 1 (lower sheet) and serves as Joining compound 7 of the material connection.
  • the amount of bonding mass defines the Anbindequerites 5. If more material is melted from the upper sheet, so increases the effective Anbindequerrough 5 at the expense of the material thickness of the upper sheet.
  • the transitions from weld to source material are soft and fluid, with no edges or nicks.
  • the coating of the workpieces 1, 2 is a zinc coating.
  • the present disclosure is not limited thereto and other coatings may be used.
  • coatings can be used who the, which leads to vapor pressure generation in conventional laser welding.
  • the coating may, for example, be a coating with a low melting point.
  • a low melting point is to be understood as a melting point which is lower than that of the workpieces, for example steel.
  • the at least two coated workpieces are galvanized workpieces, and in particular galvanized sheets.
  • the least two coated workpieces are intended for vehicle construction, and in particular for the body shop.
  • the at least two coated workpieces can be deep-drawn sheet-metal parts, which can be joined together to form a sheet-metal component, in particular to a body component, by the method according to the invention.
  • the at least two coated workpieces 1, 2 may comprise the first workpiece 1 with a first top side 1a and a first bottom side 1b, and the second workpiece 2 with a second top side 2a and a second bottom side 2b.
  • the second lower side 2b may cover or cover a portion of the first upper side la, thereby forming an enclosed region between the second lower side 2b and the first upper side la.
  • the coating can essentially be retained in this region of the second lower side 2b and / or the first upper side la during welding.
  • the coating of the workpieces 1, 2 can be enclosed between the second lower side 2b and the first upper side 1a and remain substantially untouched by the welding process.
  • the coating in a region of the first upper side 1a which overlies or covers the second lower side 2b, can essentially be retained during welding.
  • the second workpiece 2 which may be a top sheet, does not melt through, so that the surface or the coating, such as a zinc layer, on the underside 2b of the upper sheet is not or only minimally evaporated or injured. Also, the surface or the coating on the inner or overlapped top la of the lower plate 1 can remain intact. As a result, the coating is not evaporated in the overlap region 8. It is therefore at this point no Verdamphengstik before, the escape of the gas from the melt to Sch Strukturfeehlem such. As may cause ejection, traces of smoke and pores. Coating vapor, which is produced on the upper sides la and 2a, which are not in the overlap region 8, can escape upwards and thus likewise does not lead to the abovementioned welding defects.
  • the surface or the coating such as a zinc layer
  • the at least two workpieces 1, 2 before welding in the seam area, so at the joining edge 3, are arranged at an angle a abutting.
  • the angle a may be defined between the first top 1a of the first workpiece 1 and the second bottom 2b of the second workpiece 2.
  • the angle may be in the range of 0 to 45 °.
  • the angle a is an acute angle which is greater than 0 °, and in particular greater than 10 °.
  • FIG. 2 shows a welding of two workpieces without angles according to embodiments of the present disclosure.
  • the description given with regard to FIG. 1 applies analogously to the embodiment shown in FIG. 2 and will not be repeated.
  • the at least two workpieces 1, 2 can be arranged abutting against one another in the seam area or in the region of the joining edge 3 at an angle a prior to welding.
  • the angle a may be defined between the first top 1a of the first workpiece 1 and the second bottom 2b of the second workpiece 2.
  • the angle can be in the range of 0 to 45 °. In the example of Figure 2, the angle a is approximately 0 ° (sheets are substantially without gaps on each other).
  • the laser beam 10 may oscillate substantially perpendicular to a machining direction at a scan frequency and a scan width.
  • the scanning movement is indicated by the reference numeral 30.
  • the oscillating laser beam 10 can change from the lower sheet to the upper sheet and back again across the scan width, namely laterally to the machining direction or feed direction. This fuses both workpieces (e.g., sheets) and vaporizes the coating, such as zinc, on the component surface.
  • FIGS. 1 and 2 an offset or offset of the center of the scanning movement 30 from the joining edge 3 to the left or to the lower plate 1 is shown. However, this is not to be understood as limiting, and no offset or offset to the right or to the upper sheet 2 can also be set.
  • a laser power in the overlapping region 8 of the workpieces 1, 2 can be reduced in order to avoid through-welding of the upper sheet 2.
  • the laser power can be higher than in the overlap region 8.
  • the method further comprises adjusting the energy input by the laser beam 10 by altering one or more operating parameters of a laser processing system.
  • An exemplary laser processing system is shown in FIG. 3.
  • the one or more operating parameters may be selected from the group consisting of a focus diameter of the laser beam, an offset of the laser beam to a joining position, a scanning width of the laser beam, a scanning frequency of the laser beam, and a laser power distribution.
  • the one or more operating parameters are adjusted prior to welding and / or changed dynamically during welding.
  • the scan width or scan amplitude can be varied during the process, depending on the presetting or regulation, for example in the case of a gap that arises become.
  • FIG. 4a to 4d show examples for setting the energy input based on various parameters of the laser beam.
  • the energy input can also depend, for example, on a gap width between the workpieces.
  • the laser beam 10 is directed onto the joining edge 3 of two overlapping workpieces, which preferably lie on one another without a gap, and is guided in an oscillating scanning movement along the seam path or along the joining edge 3.
  • the workpieces 1, 2 can also be arranged with gap or at an angle greater than zero to each other.
  • FIG. 4b shows an offset or an offset of the center of the scanning movement with respect to the vertical joining edge 3, in this example to the left toward the upper metal sheet 2.
  • FIG. 4b shows an offset or an offset of the center of the scanning movement with respect to the vertical joining edge 3, in this example to the left toward the upper metal sheet 2.
  • a scanning width ie an amplitude of the scanning movement perpendicular to the feed direction or machining direction
  • the energy input is adjusted by modulation of the laser power over the scan width (see also FIG. 5).
  • a gap between the workpieces 1, 2 is shown in FIGS. 4b, 4c and 4d, this is not restrictive and the workpieces 1, 2 can also be arranged without gaps or at an angle greater than zero relative to one another.
  • the energy input through the laser power is very targeted.
  • Targeted energy input is achieved, for example, by regulating the laser power across the scan width.
  • the laser power can be adjusted depending on the scanning position.
  • FIG. 5 schematically shows such a modulation of the laser power based on the scanning position: the sinusoidal curve represents the scanning movement 30 and thus the laser position in the feed direction or machining direction 20, the triangular curve the laser power in% of the maximum power.
  • the scan movement 30 zilliert around the joining edge 3, which is shown in the graph as a horizontal line.
  • the laser power on the joining edge 3 is about 50% and at the outermost positions of the scanning movement about 90%.
  • the parameters for the process can be the focus diameter, the offset or offset to the joining edge 3 or joining position, the scan width, the scan frequency and the laser power distribution over the scan width, as described above for FIG.
  • One or more of the parameters can be adjusted dynamically in the course of the welding to the gap and angle conditions, in order to achieve the protection of the inner surface or the inner coating. As a result, a seam having excellent appearance and surface quality is provided.
  • FIG. 3 shows a laser processing system 300 according to embodiments of the present disclosure.
  • the laser processing system 300 may comprise a processing head 301 or be a processing head, and in particular be configured for laser welding.
  • the laser processing system 300 is configured to perform methods described here for welding at least two workpieces 1, 2.
  • the laser processing system 300 comprises a controller which is set up in order to adjust an energy input by a laser beam 10 to the at least two workpieces in such a way that the surfaces remain substantially unchanged at regions of the two workpieces which lie opposite one another.
  • the control can adjust the energy input during welding of two coated workpieces so that the coating on opposite workpiece surfaces is not or not completely evaporated.
  • the controller can be set up to carry out the laser beam welding method for welding at least two workpieces according to the embodiments described here.
  • the controller may also be configured to oscillate the laser beam 10 transversely to the processing direction 20 by means of deflection means (not shown).
  • the scanning movement 30 may be substantially perpendicular to the machining direction 20, and follow a straight line or a scanning figure, e.g. Run an "8" or a circle.
  • deflection means are mirrors or other scanning devices controlled by the controller.
  • the laser processing system 300 may include or be coupled to a laser device 310 for generating a laser beam 10 (also referred to as a "processing beam” or “processing laser beam”).
  • the laser processing system 300 may include an optical coherence tomograph 340 or other optical system, such as a camera-based system for distance measurement and / or position detection.
  • the laser processing system 300 is set up to direct the laser beam 10 to a processing region of the at least two workpieces 1, 2.
  • the laser processing system 300 may have a collimator lens 320 for collimating the laser beam 10 and a focusing optics 330 for focusing the laser beam 10 on the at least two workpieces 1, 2.
  • the laser processing system 300 or parts thereof, such as the welding head 301, may, according to embodiments, be movable along a machining direction 20.
  • the machining direction 20 may be a welding direction and / or a direction of movement of the laser processing system 300, such as the welding head 301, with respect to the at least two workpieces 1, 2.
  • the machining direction 20 may be a horizontal direction.
  • the machining direction 20 may also be referred to as "feed direction”.
  • the optical coherence tomograph 340 may be configured to measure a distance to the workpieces by means of an optical measuring beam 13.
  • the optical coherence tomograph 340 may be configured to measure a change in distance as the welding head 301 moves along the processing direction 20.
  • the oscillating laser beam 10 can follow the joining edge between the first workpiece and the second workpiece.
  • an error detection and / or a regulation of one or more operating parameters of the laser processing system can take place.
  • other optical systems can be used for this purpose, such as camera-based systems.
  • a coherent and non-porous connection of at least two workpieces can be provided independently of an angle of attack between the workpieces and with excellent grace of the seam surface.
  • a fillet weld on an overlap of two workpieces it is customary, for example, to create a possibility for zinc degassing in the case of galvanized metal sheets. Without these, there are imperfections in the suture, which are undesirable in most cases.
  • by selective energy input in a fillet weld a zero gap ratio connection can be made at the overlap.
  • By controlling the energy input only the coating exposed to the laser beam can be evaporated on the surface in the case of coated joining particles. Enclosed coatings, on the other hand, remain unaffected and thus can not lead to connection failures. The necessity of an artificial degassing option is completely eliminated.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Las erstrahl- Schweiß verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken (1, 2), sowie ein Laserbearbeitungssystem, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Das Verfahren umfasst ein Führen eines Laserstrahls (10) entlang einer Naht (3), wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) so gewählt ist, dass die Beschichtung an Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2), die einander gegenüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird.

Description

Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung von wenigstens zwei beschichteten
Werkstücken
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserschweißsystem, zur Bearbeitung von wenigstens zwei Werkstücken. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Verschweißung zweier beschichteter Werkstücke, wie verzinkter Bleche.
Stand der Technik
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laserschweißen, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austre- tende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bear- beitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungs- kopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird. Das Laserlicht tritt in einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf, durch eine Viel- zahl von optischen Elementen, wie z.B. Linsen, hindurch.
Bei der Herstellung einer Schweißverbindung beispielsweise von verzinkten Fügepartnem verdampft die Zinkschicht und führt zu Auswürfen und somit Fehlstellen in der Schweißnaht. Die so erzeugten Nähte erfüllen nicht die Anforderungen der gängigen Qualitätsan- sprüche und sind so vor allem im Automobilbereich nicht zu gebrauchen. Daher müssen bei dieser Art der Schweißung künstliche Entgasungsmöglichkeiten geschaffen werden. Diese wiederum sind aufwendig und mit Einschränkungen verbunden. Insbesondere bei einer Kehlnabt am Überlapp muss bei verzinkten Blechen eine Möglichkeit zur Zinkentga- sung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu meist unerwünschten Fehlstellen in der Naht.
Die EP 1 005 944 Bl beschreibt ein Laserstrahl- Schweißverfahren für Überlappnähte an beschichteten Blechen, wobei ein Ausgasungsraum für das im Schweißbereich verdampfende Beschichtungsmaterial vorgesehen ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbe- sondere ein Laserschweißsystem, zur Bearbeitung von wenigstens zwei Werkstücken be- reitzustellen, die weiche Übergänge von Schweißung zu Ursprungsmaterial ohne Kanten und Kerben gewährleisten und die Herstellung von stoffschlüssigen Schweißnähten, wie z.B. von Schweißnähten, insbesondere Kehlnähten am Überlapp, mit hervorragender An- mutung und Oberflächenqualität erlauben. Eine weitere Aufgabe ist, ein Laserstrahl- Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserschweißsystem, zum Verschwei- ßen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken bereitzustellen, die eine stoffschlüs- sige und porenffeie Verbindung der Werkstücke unabhängig von einem Anstellwinkel ermöglichen und bei denen keine Notwendigkeit einer ggfs künstlichen Entgasung besteht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem zum - vorzugsweise winkelunabhängigen - Verschweißen von wenigstens zwei überlap- penden Werkstücken angegeben. Ein winkelunabhängiges Verschweißen bezeichnet hier- bei, dass das Verschweißen an überlappenden Werkstücken durch geführt werden kann, die in einem beliebigen Winkel aufeinander stoßen. Das heißt, das Laserbearbeitungssystem kann insbesondere zum Verschweißen von Werkstücken eingerichtet sein, die in einem Winkel zwischen 0° und 90° aufeinander stoßen. Das Laserbearbeitungssystem umfasst einen Bearbeitungskopf zum Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieein- trag durch den Laserstrahl auf die überlappenden Werkstücke so einzustellen, dass gegen- über liegende Oberflächen der überlappenden Werkstücke im Wesentlichen erhalten blei- ben. Die gegenüber liegenden Oberflächen können auch als innen liegende Oberflächen der überlappenden Werkstücke bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann die Steuerung eingerichtet sein, den Energieeintrag so einzustellen, dass eine Oberfläche zumindest eines der Werkstücke in einem Überlappbereich mit dem anderen Werkstück im Wesentlichen erhalten oder unverletzt bleibt. Mit Überlappbereich oder eingeschlossenem Bereich kann ein Bereich bezeichnet werden, in dem sich die Oberflächen der beiden Werkstücke überlappen bzw. gegenüber liegen. Vorzugsweise bleiben Oberflächen in dem an die Fü gekante bzw. die Schweißnaht/- Verbindung angrenzenden Überlappbereich unverändert bzw. erhalten. Die Schweißverbindung kann sowohl aus abgeschmolzenem Material bzw. einem Schmelzbad eines ersten Werkstücks (Unterblech) als auch aus abgeschmolzenem Material eines zweiten Werkstücks (Oberblech), das das erste Werkstück überlappt, gebil det sein. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Werkstücke können erfin dungsgemäß im Überlappbereich, d.h. im eingeschlossenen Bereich, erhalten bleiben. Ins besondere können die gegenüber liegenden Oberflächen auf- bzw. aneinander liegende Oberflächenbereiche umfassen, an denen die Werkstücke unmittelbar miteinander in Kontakt stehen. Die Steuerung kann weiterhin eingerichtet sein, eine Position einer Fügekante, eines Über- lapps oder eines Nahtverlaufs sowie eine Topographie davon zwischen den Werkstücken zu bestimmen, beispielsweise basierend auf Daten eines optischen Systems, Kamerasys tems oder eines Kohärenztomographen. Somit kann die Steuerung der Positionsfindung (Tracking System), und/oder der Vermessung eines Spalts zwischen den Fügepartnem die- nen.
Hierbei soll vorzugsweise keine Durchschweißung zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke erfolgen. Beispielsweise kann der Energieeintrag so eingestellt sein, dass ein unteres Werkstück oder Unterblech durchgeschweißt wird, hingegen ein oberes Werkstück oder Oberblech nicht. Hierbei bezeichnet„oberes Werkstück“ das Werkstück der wenigstens zwei überlappenden Werkstücke, das das andere„untere Werkstück“ in Laserstrahl richtung verschattet, d.h. an einer Verschweißposition bzw. entlang des Nahtverlaufs bzw. entlang der Fügekante näher an einem Bearbeitungskopf oder einer Laseraustrittsöffnung liegt.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Energieeintrag durch den Laserstrahl so einzu stellen, dass das Material, das an einer dem Laserstrahl zugewandten Oberfläche eines der Werkstücke abgeschmolzen ist, als Verbindungsmasse vorgelagert zu einer Kontaktfläche der Werkstücke eine Schweißverbindung herstellt.
Zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke kann beschichtet sein, wobei der Ener- gieeintrag durch die Steuerung so eingestellt ist, dass beim Verschweißen eine Beschichtung an Bereichen der Werkstücke, die einander gegenüberliegen, erhalten bleibt.
Die wenigstens zwei Werkstücke können ein erstes Werkstück mit einer ersten Oberseite und einer ersten Unterseite und ein zweites Werkstück mit einer zweiten Oberseite und einer zweiten Unterseite umfassen. Die zweite Unterseite kann einen Bereich der ersten Oberseite überlappen. Die Oberfläche in diesem Bereich der zweiten Unterseite und/oder der ersten Oberseite kann durch den Energieeintrag beim Verschweißen im Wesentlichen erhalten bleiben.
Das Laserbearbeitungssystem kann dazu eingerichtet sein, beim Verschweißen eine Schweißnaht am Überlapp oder eine Kehlnaht auszubilden.
Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl durch Ablenkmittel quer zu einer Bearbeitungsrichtung in einer Scanbewegung zu oszillieren.
Die Steuerang kann dazu eingerichtet sein, den Energieeintrag durch Einstellen eines oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems ausgewählt aus einem Fokus- durchmesser des Laserstrahls, einem Versatz des Laserstrahls zu einer Fügeposition, einer Scanbreite des Laserstrahls, einer Scanfrequenz des Laserstrahls und einer Laserleistungsverteilung einzustellen. Insbesondere kann die Steuerung den Energieeintrag durch Modulation der Laserleistung über die Scanbreite einstellen. Weiterhin kann der Energieeintrag über eine optische Strahlformung eingestellt werden.
Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, den einen oder die mehreren Betriebsparameter dynamisch während des Schweißens zu ändern. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Nahtposition, Kantenposition oder einer Position des Überlapps der zwei Werkstücke erfolgen.
Des Weiteren wird ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum - vorzugsweise winkelunabhän gigen - Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken angegeben. Das Schweiß verfahren umfasst die Schritte: Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwi- schen den überlappenden Werkstücken, und Führen des Laserstrahls entlang der Fügekante, wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl so gewählt ist, dass eine vom Laser strahl abgewandte Oberfläche zumindest eines der Werkstücke im Wesentlichen erhalten bleibt.
Die wenigstens zwei Werkstücke können beschichtete Werkstücke, verzinkte Werkstücke, oder verzinkte Bleche umfassen.
Die wenigstens zwei Werkstücke können vor Verschweißen im Nahtbereich unter einem Winkel a aufeinanderstoßend angeordnet werden. Der Winkel a kann ein spitzer Winkel oder kleiner als 45° sein.
Die wenigstens zwei Werkstücke können vor Verschweißen im Nahtbereich aufeinander- liegend mit einem Winkel von ungefähr 0° angeordnet werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserstrahl- Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken, beispielsweise ein Laserstrahl-Schweißverfahren für Schweißnähte am Überlapp an beschichteten Blechen, angegeben. Das Verfahren umfasst ein Führen eines Laserstrahls entlang einer Naht, wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl so gewählt ist, dass die Beschichtung an Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke, die einander gegenüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird. Das Laserstrahl- Schweißverfahren kann zum winkelunabhän- gigen Verschweißen eingerichtet sein, und insbesondere zum Verschweißen von Werkstü- cken eingerichtet sein, die in einem Winkel zwischen 0° und 90° aufeinander stoßen. Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung erge- ben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Be schreibung.
Vorzugsweise erfolgt keine Durchschweißung der wenigstens zwei beschichteten Werk- stücke.
Vorzugsweise umfassen die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke ein erstes Werk- stück mit einer ersten Oberseite und einer ersten Unterseite und ein zweites Werkstück mit einer zweiten Oberseite und einer zweiten Unterseite. Die zweite Unterseite kann einen Bereich der ersten Oberseite überliegen. Die Beschichtung kann in diesem Bereich der zweiten Unterseite beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben. Insbesondere kann die Beschichtung in einem Bereich der ersten Oberseite, den die zweite Unterseite über- liegt, beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben.
Vorzugsweise werden die wenigstens zwei Werkstücke vor dem Verschweißen im Nahtbe- reich unter einem Winkel aufeinanderstoßend angeordnet. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein, und kann insbesondere größer als 10° sein. Beispielsweise kann der Winkel ein spitzer Winkel oder etwa 0° sein.
Vorzugsweise ist bzw. wird die Schweißnaht als Kehlnaht ausgebildet.
Vorzugsweise oszilliert der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zu einer Bearbeitungs richtung oder Vorschubrichtung.
Vorzugsweise umfasst das Laserstrahl- Schweißverfahren weiter ein Einstellen des Ener- gieeintrags durch den Laserstrahl durch Ändern einer oder mehrerer Betriebsparameter eines Laserbearbeitungssystems. Beispielsweise sind der eine oder die mehreren Betriebs parameter aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls, eines Versatzes des Laserstrahls zu einer Fügeposition, einer Scanbreite des Laserstrahls, einer Scanfrequenz des Laserstrahls und einer Laserleistungsverteilung besteht. Insbesondere kann eine Laserleistung über die Scanbreite variiert werden. Wenigstens ein Betriebs parameter des einen oder der mehreren Betriebsparameter kann vor dem Schweißen und/oder dynamisch während des Schweißens geändert werden.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke verzinkte Werkstücke, und insbesondere verzinkte Bleche, wie verzinkte Stahlbleche.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke für den Fahrzeugbau vorgesehen, und insbesondere für den Karosseriebau. Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbei- tungssystem zur Bearbeitung von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken mit einer Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eines der hier aufgeführten Laserstrahl- Schweiß verfahren durchzuführen, angegeben. Das Laserbearbeitungssystem umfasst eine Laservorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl auf die wenigstens zwei Werkstücke so einzustellen, dass die Beschichtung an Bereichen der zwei Werkstücke, die einander ge- genüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserstrahl- Schweiß verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken mit einem Laserbearbeitungssystem angegeben, umfassend: Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken und Abschmelzen von Material eines der Werkstücke zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken; und Führen des Laserstrahls entlang der Fügekante, wobei ein Energieein trag durch den Laserstrahl zum Herstellen der Schweißverbindung so eingestellt wird, dass einander gegenüberliegende Oberflächen der Werkstücke oder mindestens eine Oberfläche von den einander gegenüberliegenden Oberflächen im Wesentlichen erhalten bleibt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist Laserbearbeitungs system zum Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken angegeben, umfassend: einen Bearbeitungskopf zum Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl auf die überlappenden Werkstücke so einzu- stellen, dass Material eines der Werkstücke zum Herstellen einer Schweißverbindung zwi- schen den beiden Werkstücken abgeschmolzen wird, wobei mindestens eine Oberfläche von den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke im Wesentlichen erhal- ten bleibt.
Vorzugsweise werden zwei Werkstücke verschweißt, z.B. ein Unterblech und ein Oberblech, das das Unterblech überlappt, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Ober- flächen der Werkstücke im Nahtbereich unversehrt bleiben.
Selbstverständlich können Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann die Steuerung des Laserbearbeitungssystems einge richtet sein, ein Verfahren gemäß einem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel durchzuführen.
Bei einer Kehlnaht an einem Überlapp zweier Werkstücke muss beispielsweise bei ver zinkten Blechen herkömmlicherweise eine Möglichkeit zur Zinkentgasung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu Fehlstellen in der Naht, die in den meisten Fällen uner- wünscht sind. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird durch gezielten Energieeintrag jeweils die Beschichtung an der Oberfläche verdampft. Eingeschlossene Beschichtungen bleiben unberührt und können so nicht zu Verbindungsfehlem führen. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entgasungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Fol- genden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Verschweißen zweier Werkstücke unter einem Winkel gemäß Ausführungs formen der vorliegenden Offenbarung,
Figur 2 ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel gemäß Ausfuhrungs formen der vorliegenden Offenbarung,
Figur 3 ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
Figuren 4a bis 4d ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel durch Einstellen ver- schiedener Parameter des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offen- barung, und
Figur 5 eine Modulation der Laserleistung in Abhängigkeit von der Scanposition gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele- mente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt ein Verschweißen zweier Werkstücke 1, 2 unter einem Winkel gemäß Aus führungsformen der vorliegenden Offenbamng. Insbesondere ist ein Verschweißen eines ersten Werkstücks 1 und eines zweiten Werkstücks 2 gezeigt. Das erste Werkstück 1 kann ein Unterblech sein und das zweite Werkstück 2 kann ein Oberblech sein.
Das Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken 1, 2 gemäß der vorliegenden Offenbamng umfasst ein Führen eines Laserstrahls 10 entlang einer Naht bzw. Fügekante 3, wobei ein Energieeintrag auf die wenigstes zwei Werkstücke 1, 2 durch den Laserstrahl 10 so gewählt ist, dass die Oberflächen an Bereichen der we nigstens zwei Werkstücke 1, 2, die einander (z.B. direkt) gegenüberliegen, nicht oder nur geringfügig verändert wird. Insbesondere wird bei Verschweißen beschichteter Werkstücke 1, 2 die Beschichtung an gegenüberliegenden Bereichen der Werkstücke 1, 2, d.h. in einem Überlappbereich 8, nicht oder nicht vollständig verdampft. Anders gesagt bleibt die Ober fläche bzw. Beschichtung in Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2, die einander gegenüberliegen, im Wesentlichen erhalten.
Durch den gezielten Energieeintrag wird die Beschichtung an der freiliegenden Oberfläche verdampft, wobei eingeschlossene Beschichtungen im Wesentlichen unberührt bleiben und deren Verdampfen somit nicht zu Verbindungsfehlem führen kann. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entgasungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.
In der Figur 1 wird das erste Werkstück 1 mittels einer Schweißnaht, beispielsweise einer Überlappnaht, odereiner Kehlnaht am Überlapp, mit dem zweiten Werkstück 2 ver- schweißt. Dabei wird das zweite Werkstück 2 längs seiner Stirnseite verschweißt, während das erste Werkstück 1 längs seiner Oberfläche verschweißt wird. Zur Erzeugung der Laser strahl-Kehlnaht wird ein Laserstrahl 10 längs der Kehle geführt. Da die Werkstücke 1, 2 jeweils eine Beschichtung, wie beispielsweise eine Zinkbeschichtung aufweisen, ver- dampft diese an der Fügekante 3, wie es durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Durch das Schweißen wird eine Schmelze erzeugt, die erstarrt und die Werkstücke 1, 2 miteinander verbindet. Die erstarrte Schmelze 4 definiert einen Anbindequerschnitt 5 für die Werkstücke 1, 2.
Typischerweise erfolgt die Schweißverbindung vorgelagert zur eigentlichen Kontaktfläche der Werkstücke 1, 2. Das am zweiten Werkstück 2 (Oberblech) abgeschmolzene Material 6 folgt der Schwerkraft und dem beispielsweise durch eine Oszillationsbewegung des Laserstrahls 10 erzeugten Druck hin zum ersten Werkstück 1 (Unterblech) und dient als Verbindungsmasse 7 der stofflichen Verbindung. Die Menge an Verbindungsmasse definiert den Anbindequerschnitt 5. Wird mehr Material vom Oberblech abgeschmolzen, so erhöht sich der effektive Anbindequerschnitt 5 zu Lasten der Materialstärke des Oberblechs. Die Übergänge von Schweißung zu Ursprungsmaterial sind weich und fließend, es entstehen keine Kanten oder Kerben.
Gemäß Ausfiihrungsformen ist die Beschichtung der Werkstücke 1, 2 eine Zinkbeschich tung. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und andere Beschichtungen können verwendet werden. Insbesondere können Beschichtungen verwendet wer den, die bei herkömmlichen Laserschweißen zur Dampfdruckentstehung führt. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Beschichtung mit einem niedrigen Schmelzpunkt sein. Dabei ist unter einem niedrigen Schmelzpunkt ein Schmelzpunkt zu verstehen, der niedri ger liegt als der der Werkstücke, beispielsweise von Stahl. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke verzinkte Werkstücke, und insbesondere verzinkte Bleche. Beispielsweise sind die wenigs tens zwei beschichteten Werkstücke für den Fahrzeugbau vorgesehen, und insbesondere für den Karosseriebau. Insbesondere können die wenigstens zwei beschichteten Werkstü- cke tiefgezogene Blechteile sein, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Blechbauteil, insbesondere zu einem Karosseriebauteil, zusammengefügt werden können.
Die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke 1, 2 können das erste Werkstück 1 mit ei- ner ersten Oberseite la und einer ersten Unterseite lb und das zweite Werkstück 2 mit ei- ner zweiten Oberseite 2a und einer zweiten Unterseite 2b umfassen. Die zweite Unterseite 2b kann einen Bereich der ersten Oberseite la überliegen oder überdecken, wodurch ein eingeschlossener Bereich zwischen der zweiten Unterseite 2b und der ersten Oberseite la gebildet wird. Die Beschichtung kann in diesem Bereich der zweiten Unterseite 2b und/oder der ersten Oberseite la beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben. Insbe- sondere kann die Beschichtung der Werkstücke 1, 2 zwischen der zweiten Unterseite 2b und der ersten Oberseite la eingeschlossen sein und durch den Schweißvorgang im We sentlichen unberührt bleiben. Anders gesagt kann die Beschichtung in einem Bereich der ersten Oberseite la, den die zweite Unterseite 2b überliegt oder überdeckt, beim Schwei - ßen im Wesentlichen erhalten bleiben.
In einigen Ausführungsformen erfolgt kein Durchschweißen der wenigstens zwei beschichteten Werkstücke im Überlappbereich 8. Beispielsweise wird nicht durch das zweite Werkstück 2, das ein Oberblech sein kann, durchgeschmolzen, so dass die Oberfläche bzw. die Beschichtung, wie beispielsweise eine Zinkschicht, an der Unterseite 2b des Oberblechs nicht oder nur minimal verdampft oder verletzt wird. Auch die Oberfläche bzw. die Beschichtung an der innenliegenden bzw. überlappten Oberseite la des Unter blechs 1 kann unversehrt bleiben. Dadurch wird im Überlappbereich 8 die Beschichtung nicht verdampft. Es liegt an dieser Stelle somit kein Verdampfüngsdruck vor, der beim Entweichen des Gases aus der Schmelze zu Schweißfehlem wie z. B. Auswürfen, Schmauchspuren und Poren führen kann. Beschichtungsdampf, der an den Oberseiten la und 2a entsteht, die nicht im Überlappbereich 8 liegen, kann nach oben entweichen und führt so ebenfalls nicht zu den genannten Schweißfehlem.
Gemäß Ausführungsformen können die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 vor Verschweißen im Nahtbereich, also an der Fügekante 3, unter einem Winkel a aufeinanderstoßend angeordnet werden. Der Winkel a kann zwischen der ersten Oberseite la des ersten Werk stücks 1 und der zweiten Unterseite 2b des zweiten Werkstücks 2 definiert sein. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein hn Beispiel der Figur 1 ist der Winkel a ein spitzer Winkel, der größer als 0°, und insbesondere größer als 10° ist. Der Winkel a, in dem die Werkstücke 1, 2 zueinanderstehen, kann geeignet gewählt werden. So ist eine Verschwei- ßung bei größeren Winkeln (>10°) zwar dem Fluss der Schmelze zuträglich, aber auch Schweißungen bei kleineren Winkeln, bis herunter zu a=0° (Bleche liegen spaltfrei aufei- nander), sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
Figur 2 zeigt ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel gemäß Ausführungsfor- men der vorliegenden Offenbarung. Die bezüglich der Figur 1 gegebene Beschreibung gilt analog für die in der Figur 2 gezeigte Ausführungsform und wird nicht wiederholt.
Gemäß Ausfuhrungsformen können die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 vor Verschwei ßen im Nahtbereich bzw. im Bereich der Fügekante 3 unter einem Winkel a aufeinander- stoßend angeordnet werden. Der Winkel a kann zwischen der ersten Oberseite la des ers ten Werkstücks 1 und der zweiten Unterseite 2b des zweiten Werkstücks 2 definiert sein. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein. Im Beispiel der Figur 2 ist der Winkel a in etwa 0° (Bleche liegen im Wesentlichen spaltfrei aufeinander).
In manchen Ausführungsformen kann der Laserstrahl 10 im Wesentlichen senkrecht zu einer Bearbeitungsrichtung bzw. Vorschubrichtung mit einer Scanfrequenz und einer Scanbreite oszillieren. In Figuren 1 und 2 ist die Scanbewegung mit dem Bezugszeichen 30 angedeutet. Der oszillierende Laserstrahl 10 kann vom Unterblech zum Oberblech und wieder zurück über die Scanbreite wechseln, nämlich lateral zur Bearbeitungsrichtung bzw. Vorschubrichtung. Dadurch werden beide Werkstücke (z.B. Bleche) angeschmolzen und die Beschichtung, wie beispielsweise Zink, an der Bauteiloberfläche verdampft. In Figuren 1 und 2 ist ein Versatz bzw. Offset des Zentrums der Scanbewegung 30 von der Fügekante 3 nach links bzw. zum Unterblech 1 hin gezeigt. Dies ist jedoch nicht ein- schränkend zu verstehen, es kann auch kein Versatz oder ein Versatz nach rechts bzw. zum Oberblech 2 hin eingestellt sein. In Figuren 1 und 2 kann beispielsweise eine Laserleistung im Überlappbereich 8 der Werkstücke 1, 2 reduziert sein, um ein Durchschweißen des Oberblechs 2 zu vermeiden. In einem Schweißbereich außerhalb des Überlappbereichs 8, d.h. links von der Fügekante 3, kann die Laserleistung beispielsweise höher sein als im Überlappbereich 8.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kom- biniert werden können, umfasst das Verfahren weiter ein Einstellen des Energieeintrags durch den Laserstrahl 10 durch Andern einer oder mehrerer Betriebsparameter eines La serbearbeitungssystems. Ein beispielhaftes Laserbearbeitungssystem ist in der Figur 3 dar gestellt. Der eine oder die mehreren Betriebsparameter können aus der Gruppe ausgewählt sein, die einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls, einen Versatz des Laserstrahls zu einer Fügeposition, eine Scanbreite des Laserstrahls, eine Scanfrequenz des Laserstrahls und eine Laserleistungsverteilung umfasst. Typischerweise werden der eine oder die mehreren Betriebsparameter vor dem Schweißen eingestellt und/oder dynamisch während des Schweißens geändert. Beispielsweise kann die Scanbreite oder Scanamplitude je nach Voreinstellung oder Regelung, z.B. bei entstehendem Spalt, während des Prozesses variiert werden. In Figuren 4a bis 4d sind Beispiele für das Einstellen des Energieeintrags basie- rend auf verschiedenen Parametern des Laserstrahls dargestellt. Der Energieeintrag kann dabei beispielsweise auch von einer Spaltbreite zwischen den Werkstücken abhängen. In Figur 4a ist der Laserstrahl 10 auf die Fügekante 3 zweier überlappender Werkstücke, die vorzugsweise spaltfrei aufeinander liegen, gerichtet und wird in einer oszillierenden Scan- bewegung entlang des Nahtverlaufs bzw. entlang der Fügekante 3 geführt. Die Werkstücke 1 , 2 können auch mit Spalt oder in einem Winkel größer Null zu einander angeordnet sein. In Figur 4b ist ein Offset bzw. ein Versatz der Mitte der Scanbewegung hinsichtlich der vertikalen Fügekante 3 gezeigt, in diesem Beispiel nach links hin zum Oberblech 2. In Figur 4c ist eine Scanbreite, d.h. eine Amplitude der Scanbewegung senkrecht zur Vorschub richtung bzw. Bearbeitungsrichtung 20 vergrößert. In Figur 4d erfolgt eine Einstellung des Energieeintrags durch Modulation der Laserleistung über die Scanbreite (siehe auch Figur 5). Obwohl in Figuren 4b, 4c und 4d ein Spalt zwischen den Werkstücken 1, 2 gezeigt ist, ist dies nicht einschränkend und die Werkstücke 1, 2 können auch spaltfrei oder in einem Winkel größer Null zu einander angeordnet sein.
Um Durchschweißungen zu vermeiden, aber dennoch hohe Einschweißtiefen erreichen zu können, erfolgt der Energieeintrag durch die Laserleistung ganz gezielt. Der gezielte Ener- gieeintrag wird beispielsweise durch die Regelung der Laserleistung über die Scanbreite erreicht. Insbesondere kann die Laserleistung abhängig von der Scanposition eingestellt werden. In Figur 5 ist schematisch eine solche Modulation der Laserleistung basierend auf der Scanposition dargestellt: der sinusartige Kurvenverlauf stellt die Scanbewegung 30 und somit die Laserposition in Vorschubrichtung bzw. Bearbeitungsrichtung 20 dar, der drei- eckige Kurvenverlauf die Laserleistung in % der Maximalleistung. In diesem Beispiel os zilliert die Scanbewegung 30 um die Fügekante 3, die im Graphen als horizontale Linie dargestellt ist. Beispielsweise beträgt die Laserleistung auf der Fügekante 3 ca. 50% und an den äußersten Positionen der Scanbewegung ca. 90%. Die Zahlenangaben sind lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Die Parameter für den Prozess können, wie bereits erwähnt, den Fokusdurchmesser, den Versatz bzw. Offset zur Fügekante 3 bzw. Fügeposition, die Scanbreite, die Scanfrequenz und die Laserleistungsverteilung über die Scanbreite, wie oben zu Figur 4 beschrieben, sein. Einer oder mehrere der Parameter können dynamisch im Verlauf der Schweißung den Spalt- und Winkelverhältnissen angepasst werden, um die Schonung der innenliegenden Oberfläche bzw. der innenliegenden Be- schichtung zu erreichen. Im Ergebnis wird eine Naht mit hervorragender Anmutung und Oberflächenqualität bereitgestellt.
Basierend auf vorgegebenen Festigkeitsanforderungen können die hier beschriebenen Aus- fuhrungsformen beispielsweise im Bereich der Schweißung von Automobiltüren eingesetzt werden, wo typischerweise verzinkte Bauteile zum Einsatz kommen. Andere Komponen- ten am Fahrzeug wie Klappen oder Strukturbauteile können ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt werden. Figur 3 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 300 gemäß Ausfuhrungsformen der vorliegen- den Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem 300 kann einen Bearbeitungskopf 301 umfassen oder ein Bearbeitungskopf sein, und insbesondere zum Laserschweißen einge- richtet sein. Das Laserbearbeitungssystem 300 ist eingerichtet, hier beschriebene Verfahren zum Verschweißen wenigstens zweier Werkstücke 1, 2 durchzuführen.
Das Laserbearbeitungssystem 300 umfasst eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch einen Laserstrahl 10 auf die wenigstens zwei Werkstücke so einzu- stellen, dass die Oberflächen an Bereichen der zwei Werkstücke, die einander gegenüber- liegen, im Wesentlichen unverändert bleiben. Insbesondere kann die Steuerung den Ener- gieeintrag beim Schweißen zweier beschichteter Werkstücke so einstellen, dass die Be- schichtung an einander gegenüberliegenden Werkstücksoberflächen nicht oder nicht voll- ständig verdampft wird. Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um das Laser- strahl- Schweiß verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Die Steuerung kann ferner dazu ein- gerichtet sein, den Laserstrahl 10 mittels Ablenkmittel (nicht gezeigt) quer zur Bearbei- tungsrichtung 20 zu oszillieren. Hierbei kann die Scanbewegung 30 im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsrichtung 20 sein, und einer geraden Linie oder einer Scanfigur fol- gen, z.B. eine„8“ oder einen Kreis ausfuhren. Beispiele für Ablenkmittel sind Spiegel oder andere Scanvomchtungen, die durch die Steuerung gesteuert werden.
Das Laserbearbeitungssystem 300 kann eine Laservorrichtung 310 zum Erzeugen eines Laserstrahls 10 (auch als„Bearbeitungsstrahl“ oder„Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) umfassen oder mit einer solchen gekoppelt sein. Optional kann das Laserbearbeitungssystem 300 einen optischen Kohärenztomographen 340 oder ein anderes optisches System, wie beispielsweise ein Kamera-basiertes System, zur Abstandsmessung und/oder Positi onserfassung umfassen. Das Laserbearbeitungssystem 300 ist eingerichtet, um den Laser- strahl 10 auf einen Bearbeitungsbereich der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 zu lenken. Hierfür kann das Laserbearbeitungssystem 300 eine Kollimatorlinse 320 zur Kollimation des Laserstrahl 10 und eine Fokussier-Optik 330 zur Fokussierung des Laserstrahls 10 auf die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 aufweisen.
Das Laserbearbeitungssystem 300 oder Teile davon, wie beispielsweise der Schweißkopf 301, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Schweißrichtung und/oder eine Bewegungs- richtung des Laserbearbeitungssystems 300, wie beispielsweise des Schweißkopfes 301, bezüglich der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungs richtung 20 eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann auch als „Vorschubrichtung“ bezeichnet werden. Gemäß Ausführungsformen kann der optische Kohärenztomograph 340 eingerichtet sein, um mittels eines optischen Messstrahls 13 einen Abstand zu den Werkstücken zu messen. Insbesondere kann der optische Kohärenztomograph 340 eingerichtet sein, um eine Ab- Standsänderung zu messen, während sich der Schweißkopf 301 entlang der Bearbeitungs- richtung 20 bewegt. Hierdurch kann der oszillierende Laserstrahl 10 der Fügekante zwi- schen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück folgen. Insbesondere kann eine Fehlerdetektion und/oder eine Regelung einer oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems erfolgen. Selbstverständlich können auch andere optische Systeme hierzu eingesetzt werden, wie beispielsweise Kamera-basierte Systeme.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch gezielten Energieeintrag eine stoff- schlüssige und porenfreie Verbindung von mindestens zwei Werkstücken unabhängig von einem Anstellwinkel zwischen den Werkstücken und mit hervorragender Anmut der Naht- Oberfläche bereitgestellt werden. Bei einer Kehlnaht an einem Überlapp zweier Werkstü cke muss beispielsweise bei verzinkten Blechen herkömmlicherweise eine Möglichkeit zur Zinkentgasung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu Fehlstellen in der Naht, die in den meisten Fällen unerwünscht sind. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch gezielten Energieeintrag bei einer Kehlnaht eine Verbindung mit Nullspaltverhältnis am Überlapp hergestellt werden. Durch Regelung des Energieeintrags kann bei beschichteten Fügepartnem jeweils nur die dem Laserstrahl ausgesetzte Beschichtung an der Oberfläche verdampft werden. Eingeschlossene Beschichtungen bleiben hingegen unberührt und kön- nen so nicht zu Verbindungsfehlem fuhren. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entga- sungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.

Claims

Ansprüche
1. Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei sich über lappenden Werkstücken (1, 2) mit einem Laserbearbeitungssystem (300), umfassend:
Richten eines Laserstrahls (10) auf eine Fügekante (3) zwischen den sich überlap- penden Werkstücken (1, 2) und Aufschmelzen von Material mindestens eines der Werk- stücke (1, 2) zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken (1, 2); und
Führen des Laserstrahls (10) entlang der Fügekante (3),
wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) zum Herstellen der Schweißverbindung so eingestellt wird, dass mindestens eine Oberfläche (la, 2b) von den einander gegenüberliegenden Oberflächen (la, 2b) der Werkstücke (1, 2) in einem an die Schweiß verbindung angrenzenden Überlappbereich (8), in dem sich die beiden Werkstücke (1, 2) überlappen, im Wesentlichen erhalten bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Überlappbereich (8) keine Durchschweißung zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den Energieeintrag durch den Laserstrahl einzustellen, so dass Material (6), das an einer dem Laser strahl (10) zugewandten Oberfläche eines der Werkstücke (1, 2) ab geschmolzen ist, als Verbindungsmasse (7) vorgelagert zu einer Kontaktfläche der Werkstücke (1, 2) die Schweißverbindung herstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den Energieeintrag durch den Laserstrahl einzustellen, so dass die Schweißverbindung sowohl aus aufgeschmolzenem Material eines der beiden Werkstücke (1, 2) als auch aus einem in dem anderen der beiden Werkstücke (1, 2) gebildeten Schmelzbad hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) mit einer Beschichtung versehen ist und durch entspre- chende Einstellung des Energieeintrags die Beschichtung im Überlappbereich (8) erhalten bleibt.
6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) ein erstes Werkstück (1) mit einer ersten Oberseite (la) und einer ersten Unterseite (lb) und ein zweites Werkstück (2) mit einer zweiten Oberseite (2a) und einer zweiten Unterseite (2b) umfassen, wobei die zweite Unterseite (2b) einen Bereich der ersten Oberseite (la) überlappt, und wobei der Energieeintrag so eingestellt wird, dass in diesem Bereich die Oberfläche der zweiten Unterseite (2b) und/oder die Oberfläche der ersten Oberseite (la) durch den Energieeintrag im Wesentlichen erhalten bleibt.
7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Schweißverbin dung eine Kehlnaht, eine Kehlnaht am Überlapp, oder eine Überlappnaht ist.
8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei beim Führen des La serstrahls (10) entlang der Fügekante (3) der Laserstrahl (10) in einer Scanbewegung (30) quer zu einer Bearbeitungsrichtung (20) oszilliert.
9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Energieeintrag durch Einstellen eines oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems (300) ausgewählt aus einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls (10), einem Versatz des Laserstrahls (10) zur Fügekante (3), einer Scanbreite des Laserstrahls (10), einer Scanfre- quenz des Laserstrahls (10), einer Laserleistungsverteilung und einer Modulation einer Laserleistung über eine Scanbreite eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein oder mehrere Betriebsparameter des Laser bearbeitungssystems (300) dynamisch während des Schweißens geändert werden.
11. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) beschichtete Werkstücke, verzinkte Werkstücke, oder verzinkte Bleche umfassen.
12. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) beim Verschweißen im Nahtbereich unter einem spitzen Winkel (a), oder unter einem Winkel kleiner als 45° aufeinanderstoßend, oder aufeinanderliegend mit einem Winkel von ungefähr 0° angeordnet sind.
13. Laserstrahl-Schweißverfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die miteinander verschweißten Werkstücke (1, 2) einen spitzen Winkel oder einen Winkel kleiner 45° im Nahtbereich bilden oder im Nahtbereich mit einem Winkel von ungefähr 0° aufeinander liegen.
14. Laserbearbeitungssystem (300) zum Verschweißen von wenigstens zwei sich über- lappenden Werkstücken (1, 2), umfassend:
einen Bearbeitungskopf (301) zum Richten eines Laserstrahls (10) auf eine Füge- kante (3) zwischen den sich überlappenden Werkstücken (1, 2); und
eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) auf die sich überlappenden Werkstücke (1, 2) so einzustellen, dass Material mindes- tens eines der Werkstücke (1, 2) zum Fierstellen einer Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken (1, 2) aufgeschmolzen wird, wobei mindestens eine Oberfläche (la, 2b) von den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke (1, 2) in einem an die Schweißverbindung angrenzenden Überlappbereich (8), in dem sich die beiden Werk- stücke (1, 2) überlappen, im Wesentlichen erhalten bleibt.
15. Laserbearbeitungssystem (300) nach Anspruch 14, wobei die Steuerung dazu einge- richtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszufahren.
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