DE10031377A1

DE10031377A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Bleche durch eine Laserschweißnaht

Info

Publication number: DE10031377A1
Application number: DE10031377A
Authority: DE
Inventors: Thorge Hammer; Udo Mueller; Herold Drawert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: DE10031377B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Bleche durch eine Laserschweißnaht, wobei zumindest ein Blech eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt aufweist und die Bleche eben übereinander liegen. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass vor einem Verschweißen ein Laserstrahl, thermische Spannungen und einen Biegewinkel erzeugend, über die Oberfläche eines der zu verschweißenden Bleche geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Bleche durch eine Laserschweißnaht mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Es ist bekannt, dass beim Verbinden zweier Stahlbleche durch eine Laserschweißnaht, wobei zumindest ein Stahlblech eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, der Beschichtungswerkstoff, beispielsweise Zink, beim Schweißvorgang zunächst schmilzt und teilweise verdampft, wobei die entstehenden Dampfblasen das entstehende Schmelzbad der im Entstehen befindlichen Schweißnaht stören. So kommt es beispielsweise zu Kratern in der Schweißnaht, Auswürfen, Porenbildungen und anderen Unregelmäßigkeiten. Das Problem besteht darin, die beim Schweißvorgang entstehenden Zinkdämpfe von der Schweißnaht wegzuführen. Aus dem Stand der Technik sind mehrere Schriften bekannt, die sich mit der "Entgasungsproblematik" beim Verschweißen von beschichteten Blechen beschäftigen.

So ist zum Beispiel aus der EP-A 0 771 605 ein Verfahren zum Verschweißen zweier beschichteter Stahlbleche bekannt, bei dem vorgeschlagen wird, zur Schaffung eines Entgasungsraumes für die beim Schweißvorgang entstehenden Zinkdämpfe die Bleche im Nahtbereich unter einen spitzen Winkel anzuordnen und die Schweißnaht als Kehlnaht auszubilden. Außerdem wird die Kante des aufzuschweißenden Bleches derart besäumt, dass längs der Schnittkante des Bleches Zähne entstehen, die beim Verschweißen der Bleche Entgasungskanäle bilden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der verhältnismäßig hohe Aufwand beim Einstellen des Winkels beim Verschweißen der beiden Bleche, sowie der zusätzliche Aufwand zur Erzeugung der Entgasungskanäle durch Besäumen der Blechkante. Dieses Verfahren ist nur anwendbar beim Verschweißen zweier Bleche mittels Kehlnaht.

Aus der DE-PS 38 12 448 ist ein Verfahren zum Verschweißen zweier beschichteter Stahlbleche bekannt, bei dem die Verschweißung der Bleche durch Durchschweißung erfolgt. Dabei stoßen die zu verbindenden Dünnbleche im Verbindungsbereich entlang der Schweißnaht mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufeinander und sind beidseitig der Schweißnaht voneinander beabstandet. Dadurch werden Entgasungskammern zur Aufnahme der sich beim Schweißvorgang bildenden gasförmigen Beschichtungsstoffe gebildet. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Positionierung des Laserstrahles in der automatisierten Fertigung extrem schwierig ist, da die genaue Stelle, an der geschweißt werden muss, um die Vorteile der Formgestaltung der beiden aufeinander liegenden Bleche ausnutzen zu können, lageempfindlich ist. Auch ist die genaue Sollposition des Laserstrahles mit den bekannten optischen Führungsmitteln nicht lokalisierbar. Weiterhin ist dieses Verfahren insofern nachteilig, als die Krümmungsradien genau eingehalten werden müssen, da die angestrebten Vorteile sonst nicht erreicht werden. Wegen des Verschleißes der eingesetzten Werkzeuge wird die Toleranz, mit der die geforderten Krümmungsradien einzuhalten sind, jedoch bei ablaufender Standzeit des Werkzeuges unterschritten. Das hat zur Folge, dass die Güte der industriell gefertigten Schweißnähte wiederum abnimmt, weil die entstehenden Gase nicht im ausreichenden Maße abgeführt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden zweier eben übereinander liegender Bleche, bei denen zumindest ein Blech eine Beschichtung mit einem niedrigen Schmelzpunkt aufweist, mittels Laserschweißens anzugeben, bei dem bei Einhaltung einer hohen Schweißnahtqualität der Aufwand zur Herstellung der Schweißnaht reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Verbinden zweier Bleche durch eine Laserschweißnaht mit den in dem Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass vor einem Verschweißen ein Laserstrahl, thermische Spannungen und einen Biegewinkel erzeugend, über die Oberfläche eines der zu verschweißenden Bleche geführt wird, können die beim Verschweißen der beschichteten Bleche entstehenden Beschichtungsdämpfe über den zwischen den Blechen entstandenen Freiraum abgeführt werden. Ein Verschweißen zweier eben übereinander liegender und beschichteter Bleche mittels Laserschweißnaht kann somit unter Abführung der beim Verschweißen entstehenden Beschichtungsdämpfe erfolgen. Aufwendige Nahtvorbereitungen sowie spezielle Blechgestaltung im Bereich der Schweißnaht entfallen. Dadurch werden die Kosten und der Aufwand zur Herstellung der Schweißnaht reduziert. Durch Abführung der beim Verschweißen entstehenden Beschichtungsdämpfe wird eine Beeinträchtigung der Schweißnaht weitestgehend ausgeschlossen. Die geforderten hohen Schweißnahtqualitäten können somit eingehalten und erfüllt werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die zu verschweißenden Bleche vor Einbringung der Laserbiegenaht und der Laserschweißnaht;

Fig. 2 die zu verschweißenden Bleche nach Einbringung der Laserbiegenaht und der Laserschweißnaht und

Fig. 3 eine Einzelheit gemäß Fig. 1.

Die Erfindung wird erläutert am Beispiel des Verbindens zweier eben übereinander liegender zinkbeschichteter Stahlbleche mittels einer Laserschweißnaht. Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das Ausführungsbeispiel. Die erfindungsgemäße Lösung kann beispielsweise auch für die Verschweißung von Blechen angewendet werden, bei denen nur ein Blech mit einer Beschichtung versehen ist. Die Verschweißung der Bleche ist sowohl mit einer als auch mit mehreren Schweißnähten möglich. Auch für andere ähnlich gelagerte Fälle ist die erfindungsgemäße Lösung einsetzbar.

Entsprechend Fig. 1 werden die zwei eben übereinander liegenden zinkbeschichteten Stahlbleche 10 und 11 durch die Spannvorrichtung 18 in ihrer Lage fixiert. Mittels eines Laserstrahles werden, vor dem eigentlichen Verschweißen der beiden Bleche 10 und 11, in dem Blech 10 durch Einbringung einer Laserbiegenaht 12 thermische Spannungen erzeugt. Der Laserstrahl wird mit einer großen Geschwindigkeit über die Oberfläche des Bleches 10 geführt, so dass im Blech 10 im oberen Bereich Zugspannungen σ_Z und im unteren Bereich Druckspannungen σ_D entstehen. Durch die in das Blech 10 eingebrachten Spannungen wird das Blech 10 im Bereich der eingebrachten Laserbiegenaht 12 partiell verbogen. Die partielle Verbiegung des Bleches 10 um den Biegewinkel α erfolgt dabei in den nicht eingespannten Bereich des Bleches 10. Der Laserstrahl zur Erzeugung der Laserbiegenaht 12 wird im unmittelbaren Bereich einer zu erzeugenden Laserschweißnaht 14 über das Blech 10 geführt (siehe Fig. 2). Zur Erzeugung eines entsprechend großen Biegewinkels α kann der Laserstrahl zur Bildung der Laserbiegenaht 12 ein- oder mehrmals über die Oberfläche des Bleches 10 geführt werden. Dabei wird der Laserstrahl so geführt, dass die dem ersten Laserstrahl nachfolgenden Laserstrahlen dicht neben dem vorhergehenden Laserstrahl über die Oberfläche des Bleches geführt werden. Dadurch entstehen mehrere nebeneinander liegende Laserbiegenähte 12. In der Fig. 2 sind entsprechend der Laserschweißnaht 14 zwei nebeneinander liegende Laserbiegenähte 12 eingebracht worden, wobei gleichzeitig zwei parallel verlaufende Schweißnähte 14 mit entsprechenden Laserbiegenähten 12 in die zu verschweißenden Bleche 10 und 11 eingebracht wurden. Das Einbringen von einer oder mehreren Laserbiegenähten 12 und nur einer Laserschweißnaht 14 ist erfindungsgemäß auch möglich. Der durch die Laserbiegenähte 12 erzeugte Biegewinkel α beträgt vorzugsweise 8 bis 10°. Durch den Biegewinkel α entsteht zwischen den zu verschweißenden Blechen 10 und 11 ein Freiraum 16.

Nach der Erzeugung der Laserbiegenähte 12 und damit des Freiraumes 16 wird durch den Laserstrahl eine Laserschweißnaht 14 zur Verbindung der Bleche 10 und 11 erzeugt. Dabei wird der Laserstrahl über die Oberfläche eines der beiden zu verschweißenden Bleche 10 oder 11 geführt, so dass eine Durchschweißung des entsprechenden Bleches erfolgt. Vorteilhafterweise wird der Laserstrahl über die Oberfläche des Bleches 10 geführt, in dem bereits die oder mehrere Laserbiegenähte 12 eingebracht wurden.

Beim Verschweißen der beiden Bleche 10 und 11 werden die sich beim Schweißvorgang bildenden Zinkdämpfe, die aufgrund des niedrigeren Schmelzpunktes des Beschichtungswerkstoffes entstehen, über den zwischen den Blechen 10 und 11 entstandenen Freiraum 16 von der Schweißnaht weggeführt. Beeinträchtigungen der Schweißnaht 14 durch die entstehenden Dämpfe werden weitestgehend ausgeschlossen, so dass die Qualität der Schweißnaht 14 nicht beeinträchtigt wird.

Der Laserstrahl zur Erzeugung der Laserschweißnaht 14 wird im Bereich zwischen den eingebrachten Laserbiegenähten 12 und dem Freiraum 16 über das Blech 10 geführt. Dabei darf die Laserschweißnaht 14 nicht zu sehr in den Bereich des Freiraumes 16 gelegt werden, da ansonsten der Abstand zwischen den Blechen 10 und 11 durch den entstandenen Freiraum 16 zu groß wird, um eine qualitätsgerechte Schweißnaht herstellen zu können. Außerdem müsste ein energiereicherer Laserstrahl eingesetzt werden, um die erforderliche Durchschweißung zu erzielen. Der Laserstrahl zur Erzeugung der Laserschweißnaht 14 wird mit einer gegenüber zur Einbringung der Laserbiegenaht 12 geringeren Geschwindigkeit über die Oberfläche des Bleches 10 geführt, um damit die notwendige Energie für eine Durchschweißung des Bleches 10 und somit eine Verschweißung der beiden Bleche 10 und 11 zu erreichen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden neben der Erreichung einer qualitätsgerechten Schweißnaht auch die Kosten reduziert. Notwendige konstruktive oder fertigungstechnische Maßnahmen zur Herstellung des für die Abführung der Beschichtungsdämpfe benötigten Entgasungskanals entfallen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die notwendigen Freiräume zur Abführung der Beschichtungsdämpfe mittels eines Laserstrahles erzeugt, der auch für die Verschweißung der Bleche genutzt wird. Außerdem werden durch die erfindungsgemäße Lösung nur dort Freiräume erzeugt, wo sie auch tatsächlich benötigt werden. Dadurch werden ebenfalls die Kosten und der Aufwand reduziert.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Blech

11

Blech

12

Laserbiegenaht

14

Laserschweißnaht

16

Freiraum

18

Spannvorrichtung
α Biegewinkel
σ_Z

Zugspannung
σ_D

Druckspannung

Claims

1. Verfahren zum Verbinden zweier Bleche durch eine Laserschweißnaht, wobei zumindest ein Blech eine Beschichtung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt aufweist und die Bleche eben übereinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Verschweißen ein Laserstrahl, thermische Spannungen und einen Biegewinkel erzeugend, über die Oberfläche eines der zu verschweißenden Bleche geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zur Erzeugung der thermischen Spannungen und des Biegewinkels mit einer solchen Geschwindigkeit über die Oberfläche des Bleches geführt wird, dass im oberen Bereich des Bleches Zugspannungen (σ_Z) und im unteren Bereich Druckspannungen (σ_D) entstehen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zur Erzeugung der thermischen Spannungen und des Biegewinkels im unmittelbaren Bereich der zu erzeugenden Schweißnaht über die Oberfläche des Bleches geführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zur Erzeugung der thermischen Spannungen und des Biegewinkels ein- oder mehrmals über die Oberfläche des Bleches geführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten Laserstrahl nachfolgenden Laserstrahlen dicht neben dem vorhergehenden Laserstrahl über die Oberfläche des Bleches geführt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Laserstrahl erzeugte Biegewinkel zwischen den Blechen zirka 8 bis 10° beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Biegewinkel ein Freiraum zwischen den Blechen gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Laserstrahl, eine Schweißnaht zur Verbindung der beiden Bleche erzeugend, über die Oberfläche eines der zu verschweißenden Bleche geführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Laserstrahl eine Durchschweißung des Bleches erfolgt, über dessen Oberfläche der Laserstrahl geführt wurde.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zur Erzeugung der Schweißnaht über die Oberfläche des Bleches geführt wird, über die auch der Laserstrahl zur Erzeugung der thermischen Spannungen und des Biegewinkels geführt wurde.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zur Erzeugung der Schweißnaht im Bereich zwischen den eingebrachten Laserstrahlen zur Erzeugung der thermischen Spannungen und dem entstandenen Freiraum über das Blech geführt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Schweißvorgang sich bildenden Beschichtungsdämpfe über den zwischen den Blechen entstandenen Freiraum abgeführt werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zur Erzeugung der Schweißnaht mit einer gegenüber zur Einbringung der thermischen Spannungen geringeren Geschwindigkeit über die Oberfläche des Bleches geführt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Bleche eingespannt werden.