DE10031377A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Bleche durch eine Laserschweißnaht - Google Patents
Verfahren zum Verbinden zweier Bleche durch eine LaserschweißnahtInfo
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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 σZ und im
unteren Bereich Druckspannungen σD 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.
10
Blech
11
Blech
12
Laserbiegenaht
14
Laserschweißnaht
16
Freiraum
18
Spannvorrichtung
α Biegewinkel
σZ
α Biegewinkel
σZ
Zugspannung
σD
σD
Druckspannung
Claims (14)
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 (σZ) und im unteren Bereich Druckspannungen
(σD) 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.
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