WO2019242927A1 - VERFAHREN ZUM ROMOTE-LASERSTRAHLSCHWEIßEN EINER DREIBLECHVERBINDUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUM ROMOTE-LASERSTRAHLSCHWEIßEN EINER DREIBLECHVERBINDUNG Download PDF

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Stefan Beck
Hans Langrieger
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    • B23K2101/006—Vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for remote laser beam welding of a three-sheet connection.
  • a laser beam is directed onto the components to be processed via a scanner system and guided over them.
  • the scanner system allows single or multi-axis deflection of the laser beam at very high processing speeds. These can be further increased if the welding is carried out "on-the-fly", i.e. if the scanner system is connected to a moving mechanism, e.g. an industrial robot is mounted and moved by it.
  • Remote laser beam welding usually takes place with a large working distance of e.g. more than 0.4 m to the welding point.
  • Remote laser beam welding has been used for sheet metal connections of two sheets. established in the automotive industry due to the high achievable working speeds.
  • Remote laser beam welding can be used for sheet steel components as well as for sheet aluminum components.
  • a method for remote laser beam welding of a three-sheet connection for which purpose three sheet metal components are arranged in an overlap joint to form a component arrangement.
  • a laser beam is moved at a welding speed along a welding contour over the component arrangement.
  • a biaxial oscillation movement is additionally superimposed parallel to the welding direction and transversely to the welding direction.
  • the forward movement of the laser beam is superimposed on an oscillation movement which has both a component parallel to the welding direction and a component transverse to the welding direction.
  • the laser beam thus sweeps over an area that is significantly larger than that Beam spot diameter, for example many times larger. This measure enables the path energy required to weld three sheets to be achieved even with a reduced beam power.
  • the process achieves particular advantages if the sheet metal components are each made from aluminum sheets. Due to the oscillating welding with low beam power, the heat distortion can be minimized, which reduces the susceptibility to hot cracking in the aluminum sheets. Especially in the case of edge welds, the susceptibility to hot cracking drops significantly.
  • the oscillating welding increases the process effectiveness significantly compared to known processes.
  • the maximum necessary laser power can be reduced.
  • a beam source with a power of 4 kW can be sufficient. Therefore, in one embodiment, welding is carried out with a beam source with an output of no more than 4 kW.
  • the method is preferably carried out without power modulation, i.e. the laser power is kept constant during the welding process.
  • the laser beam is moved oscillating over the sheet metal components.
  • the oscillation movement is preferably carried out with a frequency of more than 500 Hz.
  • the oscillation movement can take almost any shape. At the preferred high oscillation frequencies, it is advantageous if the oscillation movement is carried out in a form derived from a circular path, for example as a (possibly inclined, for example by 45 degrees) sine function or as a figure eight.
  • the oscillation movement takes place both in the direction of the welding movement and transversely thereto, that is to say the laser beam is deflected both in the x direction and in the y direction.
  • the oscillation movement is composed of an oscillation component that is parallel to the welding direction and an oscillation component that is aligned transversely to the welding direction. In one configuration, it is preferred if the frequency of the oscillation component in the welding direction is greater than or equal to the frequency of the oscillation component transverse to the welding direction.
  • the beam spot or spot diameter of the laser beam can be less than 500 micrometers or less than 400 micrometers in one design. Due to the small beam spot diameter, the power density required for the required welding depth is provided even with a low beam power of, for example, no more than 4 kW.
  • the connection area and the track energy, which are necessary for a weld seam that meets the mechanical requirements, are provided by a suitable choice of the oscillation parameters.
  • the beam spot diameter on the surface of the component arrangement is regulated to a constant value.
  • the z position of the surface of the component arrangement can be determined, for example, using laser triangulation.
  • one or more laser beams are projected onto the top plate and a measure of the distance between the laser optics and the surface of the component arrangement is obtained from the projected line. This measure can then be used as a control variable in the control process for the focus position.
  • the method is suitable e.g. for sheet metal components, such as those used in the automotive sector.
  • the sheet metal components can, for example, as sheet metal or as sheet metal molded parts, such as deep-drawn sheet metal components are available. In one embodiment, it is sheet aluminum components.
  • the sheet metal components can preferably have a thickness of 2 millimeters or less.
  • the sheet metal components form a body component, e.g. an A-, B- or C-pillar or roof or a body attachment, e.g. a flap or door.
  • the process can be used to map a stable welding process for connecting three sheet metal components.
  • the method described above is characterized by a low heat distortion. If aluminum sheet metal components are welded, the connection shows a reduced tendency to hot cracks compared to welds without oscillation.
  • the method advantageously enables a large gap bridging of up to 0.6 mm between adjacent sheet metal components without the need to use an additional material.
  • the process achieves particular advantages because it can be carried out with "standard equipment” in automobile production.
  • the method can also connect three sheet metal components together in a single welding process, whereby the cycle time can be maintained or even reduced.
  • the design effort in component development can be reduced.
  • Figure 1 is a schematic representation of the three-sheet connection in perspective view
  • FIG. 2 shows a sectional view through the three-sheet connection from FIG. 1.
  • Figure 1 shows a first, second and third sheet metal 10, 20 and 30 in the form of aluminum sheet metal components, which are arranged in the lap joint and form a component arrangement 1, which, for example, should represent a body component.
  • the sheet metal components 10 to 30 are connected with an I-seam.
  • a laser beam L is moved along a welding contour 40 over the component arrangement 1.
  • the laser beam L describes a path curve, which is composed of a welding speed V in the welding direction X and a biaxial oscillation movement.
  • the oscillation movement has an oscillation component Ox in the X direction, i.e. parallel to the welding direction, and an oscillation component Oy in the Y direction, i.e. transverse to the welding direction X.
  • the oscillation is preferably carried out at a frequency of more than 500 Hz. On the representation of the trajectory was omitted in the figures. Due to the large number of vibrations swept over the laser beam L covers the oscillation area between the reversal points.
  • the welding contour is shown as a straight line, of course it can have any other course, for example a curved or curved course.
  • a laser line (not shown) is projected onto the component surface 32.
  • the distance between the optics and the component surface 32 is determined by means of triangulation and used to regulate the focus position in the Z direction.
  • the laser spot diameter on the component surface can be regulated to a constant value, even if the component surface 32 e.g. should be curved due to thermal distortion.
  • FIG. 2 shows the weld seam in a sectional view.
  • the weld seam can be carried out, for example, through welding into the lower plate 10. Due to the beam oscillation in the X direction, welding with a very small beam diameter of less than 500 micrometers or less than 400 micrometers and a laser source of not more than 4 kW is possible into the lower plate. The necessary connection width, which is significantly larger than the beam spot diameter, is achieved by the oscillation in the y direction. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen einer Dreiblechverbindung, wozu drei Blechbauteile im Überlappstoß zu einer Bauteilanordnung angeordnet werden und ein Laserstrahl (L) zur Erzeugung einer I-Naht mit einer Schweißgeschwindigkeit entlang einer Schweißkontur über die Bauteilanordnung bewegt wird. Der Laserstrahl führt zusätzlich eine zweiachsige Oszillationsbewegung mit einer Oszillationskomponente (OX) parallel zur Schweißrichtung (X) und einer Oszillationskomponente (OY) quer zur Schweißrichtung (X) aus.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen einer Dreiblechverbindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen einer Dreiblechverbindung.
Beim Remote-Laserstrahlschweißen wird ein Laserstrahl über ein Scanner system auf die zu bearbeitenden Bauteile gerichtet und über diese geführt. Das Scannersystem erlaubt eine ein- oder mehrachsige Ablenkung des La serstrahls mit sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Diese lassen sich noch steigern, wenn das Schweißen„on-the-fly“ erfolgt, d.h. wenn das Scan nersystem 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. Für Blechverbindungen von zwei Blechen hat sich das Remote-Laserstrahlschweißen u.a. aufgrund der hohen erzielbaren Ar beitsgeschwindigkeiten in der Automobilbranche etabliert.
Das Remote-Laserstrahlschweißen ist dabei für Stahlblechbauteile ebenso einsetzbar wie für Aluminiumblechbauteile.
Sollen mehr als zwei Blechlagen auf einmal gefügt werden, so kann dies dar gestellt werden, indem man die Verbindungen in zwei separate Zweiblech verbindungen auflöst. Dies bedeutet einen erhöhten konstruktiven Aufwand, eine Kostensteigerung beim Schweißequipment, da sich der Fügeumfang er höht, und eine Erhöhung der Taktzeit. Aus der Druckschrift DE 10 2010 013 914 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Verschweißen dreier Bleche mittels Laserstrahlung. Bei dem Verfahren er folgt zunächst eine Leistungsmodulation der Laserstrahlung, um diejenige Laserleitung zu ermitteln, die für die erforderliche Einschweißtiefe notwendig ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sehr teure Laserquellen mit ho her Leistung erforderlich sind, um die für die Modulation erforderlichen maxi malen Laserleistungen bereitstellen zu können.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Verschweißen einer Dreiblechverbindung, ins besondere von Aluminiumblechen, anzugeben, welches die voranstehenden Nachteile nicht aufweist und das insbesondere großserientauglich ist und mit geringen Kosten umgesetzt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen einer Dreiblech verbindung angegeben, wozu drei Blechbauteile im Überlappstoß zu einer Bauteilanordnung angeordnet werden. Zur Erzeugung einer I-Naht wird ein Laserstrahl mit einer Schweißgeschwindigkeit entlang einer Schweißkontur über die Bauteilanordnung bewegt.
Erfindungsgemäß wird zusätzlich eine zweiachsige Oszillationsbewegung parallel zur Schweißrichtung und quer zur Schweißrichtung überlagert. Mit anderen Worten wird der Vorwärtsbewegung des Laserstrahls eine Oszillati onsbewegung überlagert, die sowohl eine Komponente parallel zur Schweiß richtung als auch eine Komponente quer zur Schweißrichtung hat. Somit überstreicht der Laserstrahl einen Bereich, der deutlich größer ist als der Strahlfleckdurchmesser, z.B. um ein Vielfaches größer. Durch diese Maß nahme kann die zur Schweißung von drei Blechen notwendige Streckenener gie auch bei einer reduzierten Strahlleistung erreicht werden.
Hierbei erzielt das Verfahren besondere Vorteile, wenn die Blechbauteile je weils aus Aluminiumblechen gefertigt sind. Durch das oszillierende Schwei ßen mit geringer Strahlleistung kann der Wärmeverzug minimiert werden, wodurch in den Aluminiumblechen die Heißrissanfälligkeit gesenkt wird. Ge rade bei Randschweißungen geht die Heißrissanfälligkeit deutlich zurück.
Durch das oszillierende Schweißen steigt die Prozesseffektivität gegenüber bekannten Verfahren deutlich. Die maximal notwendige Laserleistung kann gesenkt werden. Für das Verschweißen von drei Blechbauteilen, insbeson dere Aluminiumblechen, hat es sich gezeigt, dass eine Strahlquelle mit 4 kW Leistung ausreichend sein kann. Daher wird in einer Ausgestaltung mit einer Strahlquelle mit nicht mehr als 4 kW Leistung geschweißt. Das Verfahren wird vorzugsweise ohne Leistungsmodulation durchgeführt, d.h. die Laser leistung wird während der Dauer des Schweißprozesses konstant gehalten.
Während der Schweißung wird der Laserstrahl oszillierend über die Blech bauteile bewegt. Hierbei wird die Oszillationsbewegung vorzugsweise mit ei ner Frequenz von mehr als 500 Hz durchgeführt.
Die Oszillationsbewegung kann nahezu beliebige Formen annehmen. Bei den bevorzugten hohen Oszillationsfrequenzen ist es vorteilhaft, wenn die Oszillationsbewegung in einer kreisbahnabgeleiteten Form durchgeführt wird, z.B. als (eventuell geneigte, z.B. um 45 Grad) Sinusfunktion oder als lie gende Acht. Die Oszillationsbewegung erfolgt sowohl in Richtung der Schweißbewegung als auch quer dazu, der Laserstrahl wird also sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung abgelenkt. Entsprechend setzt sich die Oszillationsbewegung aus einer Oszillationskomponente, die parallel zur Schweißrichtung liegt, und einer Oszillationskomponente, die quer zur Schweißrichtung ausgerichtet ist, zusammen. In einer Ausgestaltung ist es bevorzugt, wenn die Frequenz der Oszillationskomponente in Schweißrichtung größer oder gleich der Frequenz der Oszillationskomponente quer zur Schweißrichtung ist.
Der Strahlfleck- bzw. Spotdurchmesser des Laserstrahls kann in einer Aus gestaltung weniger als 500 Mikrometer oder weniger als 400 Mikrometer be tragen. Durch den kleinen Strahlfleckdurchmesser wird auch bei geringer Strahlleistung von beispielsweise nicht mehr als 4 kW die für die erforderliche Einschweißtiefe notwendige Leistungsdichte bereitgestellt. Die Anbindungs fläche sowie die Streckenenergie, welche für eine den mechanischen Anfor derungen genügende Schweißnaht notwendig sind, werden durch eine ge eignete Wahl der Oszillationsparameter bereitgestellt.
Bedingt durch thermischen Verzug der Bauteile oder aufgrund von Ferti gungsungenauigkeiten kann es zu einer geringen Überbiegung bzw. Wellig keit der Blechbauteile kommen, wodurch die Oberfläche der Bauteilanord nung über die Länge der Schweißnaht in vertikaler Richtung gewölbt sein kann. Um einen negativen Einfluss auf den Schweißprozess auszuschließen, ist es in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Strahlfleckdurchmesser auf der Oberfläche der Bauteilanordnung auf einen konstanten Wert geregelt wird.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem während der Schweißung die z- Lage der Oberfläche der Bauteilanordnung bestimmt wird und die Fokuslage in Relation zur z-Lage der Oberfläche der Bauteilanordnung geregelt wird. Die z-Lage der Oberfläche der Bauteilanordnung lässt sich z.B. mittels Laser triangulation bestimmen. Hierbei wird ein oder mehrere Laserstrahlen auf das Oberblech projiziert und aus der projizierten Linie ein Maß für die Entfernung zwischen Laseroptik und Oberfläche der Bauteilanordnung gewonnen. Die ses Maß kann dann als Steuergröße in den Regelprozess für die Fokuslage einfließen.
Das Verfahren eignet sich z.B. für Blechbauteile, wie sie im Automobilbereich verwendet werden. Die Blechbauteile können beispielsweise als Bleche oder als Blechformteile, wie z.B. tiefgezogene Blechbauteile vorliegen. In einer Ausgestaltung handelt es sich um Aluminiumblechbauteile. Die Blechbauteile können vorzugsweise eine Dicke von 2 Millimeter oder weniger aufweisen. In einer Ausgestaltung bilden die Blechbauteile ein Karosseriebauteil, wie z.B. eine A-, B- oder C-Säule oder Dach oder ein Karosserieanbauteil, wie z.B. eine Klappe oder Tür.
Mit dem Verfahren lässt sich ein stabiler Schweißprozess zur Verbindung dreier Blechbauteile abbilden. Das voranstehend beschriebene Verfahren zeichnet sich dabei durch einen geringen Wärmeverzug aus. Werden Alumi niumblechbauteile verschweißt, so zeigt die Verbindung eine gegenüber Schweißungen ohne Oszillation reduzierte Heißrissneigung. Das Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise eine große Spaltüberrückbarkeit von bis zu 0,6 mm zwischen angrenzenden Blechbauteilen, ohne dass ein Zusatzwerkstoff eingesetzt werden muss.
Besondere Vorteile erzielt das Verfahren, weil es mit„Standardequipment“ in der Automobilproduktion durchführbar ist. Das Verfahren kann zudem in ei nem einzigen Schweißprozess drei Blechbauteile miteinander verbinden, wodurch die Taktzeit beibehalten bzw. sogar verringert werden kann. Zudem kann der konstruktive Aufwand bei der Bauteilentwicklung verringert werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungs wesentlich sein. 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 schematische Darstellung der Dreiblechverbindung in perspek tivischer Ansicht und
Figur 2 eine Schnittansicht durch die Dreiblechverbindung von Figur 1.
Figur 1 zeigt ein erstes, zweites und drittes Blech 10, 20 und 30 in Form von Aluminiumblechbauteilen, die im Überlappstoß angeordnet sind und eine Bauteilanordnung 1 bilden, die beispielsweise ein Karosseriebauteil darstel len soll. Die Blechbauteile 10 bis 30 werden mit einer I-Naht verbunden.
Hierzu wird ein Laserstrahl L entlang einer Schweißkontur 40 über die Bau teilanordnung 1 bewegt. Der Laserstrahl L beschreibt eine Bahnkurve, die sich aus einer Schweißgeschwindigkeit V in Schweißrichtung X sowie einer zweiachsigen Oszillationsbewegung zusammensetzt. Die Oszillationsbewe gung hat eine Oszillationskomponente Ox in X-Richtung, also parallel zur Schweißrichtung, und eine Oszillationskomponente Oy in Y-Richtung, also quer zur Schweißrichtung X. Die Oszillation erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 500 Hz. Auf die Darstellung der Bahnkurve wurde in den Figuren verzichtet. Aufgrund der Vielzahl von Schwingungen überstreicht der Laserstrahl L den Oszillationsbereich zwischen den Umkehrpunkten flä chendeckend.
In Figur 1 ist die Schweißkontur als Gerade dargestellt, selbstverständlich kann sie jeden andere Verlauf aufweisen, beispielsweise einen gebogenen oder geschwungenen Verlauf.
Zur Regelung der Fokuslage in Relation zur Bauteiloberfläche wird eine (nicht dargestellte) Laserlinie auf die Bauteiloberfläche 32 projiziert. Mittels Triangulation wird der Abstand zwischen Optik und Bauteiloberfläche 32 be stimmt und zur Regelung der Fokuslage in Z-Richtung verwendet. So kann der Laserfleckdurchmesser auf der Bauteiloberfläche auf einen konstanten Wert geregelt werden, auch wenn die Bauteiloberfläche 32 z.B. aufgrund von thermischem Verzug gewölbt sein sollte.
Durch den Laserstrahl wird Material der Blechbauteile aufgeschmolzen und erstarrt zu einer Schweißnaht 50. Figur 2 zeigt die Schweißnaht in einer Schnittansicht. Die Schweißnaht kann z.B. mit einer Durchschweißung bis in das Unterblech 10 ausgeführt werden. Aufgrund der Strahloszillation in X- Richtung wird auch mit einem sehr kleinen Strahldurchmesser von weniger als 500 Mikrometer bzw. weniger als 400 Mikrometer und einer Laserquelle von nicht mehr als 4 kW eine Durchschweißung bis in das Unterblech mög lich. Die notwendige Anbindungsbreite, welche deutlich größer ist als der Strahlfleckdurchmesser wird durch die Oszillation in y-Richtung erzielt. Bezugszeichenliste
1 Bauteilanordnung
10, 20, 30 Blechbauteile
32 Oberfläche
40 Schweißkontur
50 Schweißnaht
L Laserstrahl
Ox, Oy Oszillationskomponenten V Schweißgeschwindigkeit
X, Y, Z Raumachsen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen einer Dreiblechverbin dung, wozu drei Blechbauteile (10, 20, 30) im Überlappstoß zu einer Bauteil anordnung (1 ) angeordnet werden und ein Laserstrahl (L) zur Erzeugung ei ner I-Naht mit einer Schweißgeschwindigkeit (V) entlang einer Schweißkon tur (40) über die Bauteilanordnung (1 ) bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Laserstrahl (L) eine zweiachsige Oszillationsbewegung mit einer Oszilla tionskomponente (Ox) parallel zur Schweißrichtung (X) und einer Oszillati onskomponente (Oy) quer zur Schweißrichtung (X) ausführt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , bei dem
die Blechbauteile (10, 20, 30) Aluminiumblechbauteile sind.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem
eine Strahlquelle mit nicht mehr als 4 kW Leistung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Oszillationsbewegung mit einer Frequenz von mehr als 500 Hz durchge führt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Oszillationsbewegung mit einer kreisbahnabgeleiteten Form durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Frequenz der Oszillationskomponente (Ox) parallel zur Schweißrichtung größer oder gleich der Frequenz der Oszillationskomponente (Oy) quer zur Schweißrichtung ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Strahlfleckdurchmesser des Laserstrahls (L) weniger als 500 Mikrometer oder weniger als 400 Mikrometer beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Strahlfleckdurchmesser auf der Oberfläche (32) der Bauteilanordnung (1 ) auf einen konstanten Wert geregelt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 8, bei dem
während der Schweißung die z-Lage der Oberfläche (32) der Bauteilanord nung (1 ) bestimmt wird und die Fokuslage in Relation zur z-Lage der Oberflä che (32) der Bauteilanordnung (1 ) geregelt wird.
10. Verfahren nach einem er vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Blechbauteile eine Dicke von 2 Millimeter oder weniger aufweisen.
1 1. Verfahren nach einem er vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Blechbauteile ein Karosseriebauteil oder Karosserieanbauteil bilden.
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