DE10042538A1

DE10042538A1 - Verfahren zum Laserschweißen mit definierter Spaltweite

Info

Publication number: DE10042538A1
Application number: DE10042538A
Authority: DE
Inventors: Peter Brysch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserschweißen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Blech, von denen mindestens eines verzinkt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in demjenigen Bereich der Blechoberfläche des ersten Bleches, der zur Bildung eines Überlappungsstoßes auf dem zweiten Blech aufliegt, eine Rauhigkeit angebracht wird mit einer Rauhtiefe, die in Kombination mit der Rauhtiefe des zweiten Blechsin demselben Bereich einen Zwischenraum in dem Überlappstoß erzeugt zum Entweichen von Schweißemissionen, insbesondere Zinkdampf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Insbesondere im Automobilbau werden korrosionsgefährdete Bauteile oft aus verzinktem Stahlblech hergestellt. Zum Schweißen solcher Bauteile wird bekannterweise das Verfahren des Laserstrahlschweißens angewendet. Dabei kann es wegen der niedrigen Verdampfungstemperatur von Zink zur Bildung von Poren kommen, welche die Schweißnaht schwächen, und zwar aufgrund von Zinkdampfentgasung, die während des Schweißvorganges entstehen. Um dieses Problem zu vermeiden, muß der Zinkdampf aus dem Bereich der Schweißnaht entweichen können. Dies wird bekannterweise dadurch unterstützt, dass die zu schweißenden Bleche im Bereich ihres Überlappungsstoßes nicht vollflächig aufeinanderliegen, sondern zwischen ihnen ein Spalt offengehalten wird, durch den der Zinkdampf entweichen kann.

Im Stand der Technik sind zum Offenhalten des Schweißspaltes unterschiedliche Verfahren beschrieben. Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 39 33 408 A1 sind dazu Noppen oder Sicken in wenigstens eines der Bleche im Bereich des Überlappstoßes integriert und in das Blech eingedrückt. Z. B. nach dem deutschen Patent DE 44 07 190 werden rändelungsartige Oberflächenstrukturen auf der Blechoberfläche im Bereich des Überlappstoßes hergestellt. In der genannten Schrift wird das mittels getakteter Hochenergiestrahlung bewerkstelligt.

Diese bekannten Verfahren haben allesamt den Nachteil, die Oberflächenstruktur, welche dazu dient, die beiden zu schweißenden Bleche auf definiertem Abstand zueinander zu halten, in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt mit großer Präzision herstellen zu müssen, wobei die Strukturen teilweise aus einzeln zu fertigenden geometrischen Einheiten zusammengesetzt sind, was den Herstellungsaufwand zusätzlich vergrößert.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laserschweißen von verzinktem Blech zu schaffen, bei dem im Bereich des Schweißspaltes ein Raum zum Entweichen von Emissionen, insbesondere Zinkdampf, einfach hergestellt wird.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Laserschweißen mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zum Laserstrahlschweißen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Blech, von denen mindestens eines verzinkt ist, überdecken sich die beiden Bleche an einem Überlappstoß. Dort wird in einem späteren Schritt die Schweißnaht angebracht. Zuvor wird erfindungsgemäß mindestens in demjenigen Bereich der Blechoberfläche mindestens des ersten Blechs, der als Überlappstoß auf dem zweiten Blech liegt, eine Rauhigkeit angebracht mit einer definierten Rauhtiefe, welche in Kombination mit der (bekannten) Rauhtiefe des zweiten Blechs im Bereich des Überlappstoßes eine Zwischenraum freihält.

Der Zwischenraum wird dabei in seiner Weite durch die definierte Rauhtiefe so eingestellt, dass Zinkdämpfe und andere Emissionen, welche bei dem Schweißprozeß freigesetzt werden, nach außen entweichen können. So wird erfindungsgemäß der Bildung von Poren vorgebeugt, welche die Schweißnaht schwächen würden.

Bekanntlich weist jedes reale Blech im Gegensatz zu einer ideal glatten Oberfläche eine endliche Rauhtiefe auf. Diese wird entsprechend den Anforderungen blechverarbeitender Betriebe vom Blechhersteller durch geeignete Bearbeitungsschritte eingestellt. Wenn nun bei dem erfindungsgemäßen Laserschweißverfahren eine Weite des Schweißspaltzwischenraums von z. B. ungefähr 0,05 mm eingestellt werden soll, wird mindestens im Bereich des Überlappstoßes die Oberfläche des ersten Bleches mit einer dieser Spaltweite betraglich entsprechenden Rauhtiefe versehen, während die Oberfläche des zweiten Bleches mindestens im Bereich des Überlappstoßes eine geringere Rauhtiefe (vorzugsweise um eine Größenordnung geringer) aufweist (also etwa 0,005 mm). Wenn nun die Blechoberflächen der zu verschweißenden Bleche im Bereich des Überlappstoßes mit diesen Rauhigkeiten aufeinandergelegt werden, liegen die "Spitzen" des Rauhigkeitsprofils beider Oberflächen aufeinander und lassen zwischen den Oberflächen beider Bleche insbesondere im Bereich der "Täler" des Rauhigkeitsprofils beider Oberflächen im Schweißspalt einen Zwischenraum frei mit einer mittleren Weite, welche etwas kleiner ist als die Summe der Rauhtiefen der beiden Blechoberflächen.

Wenn nun die Oberfläche des zweiten Blechs möglichst "glatt" - also mit möglichst geringer Rauhtiefe ausgestattet - ist, wird sich in dem Schweißspalt im Bereich der "Täler" des Rauhigkeitsprofils eine Spaltweite einstellen, die, wenn die beiden Blechoberflächen zum Schweißen aufeinandergelegt werden, der erfindungsgemäß auf der Oberfläche des ersten Blechs angebrachten Rauhtiefe recht genau entspricht.

Vorzugsweise wird die definierte Rauhigkeit, welche erfindungsgemäß wie beschrieben mit der einzustellenden Spaltweite korrelierbar ist, auf der gesamten Blechoberfläche - vorzugsweise mindestens auf der später den Schweißspalt bildenden Seite - des zu schweißenden Blechs angebracht, und zwar vorzugsweise, bevor das Blech aus seinem flachgewalzten Zustand zu einem Bauteil umgeformt wird. Die Rauhigkeit kann also z. B. schon beim Blechhersteller auf den definierten Betrag eingestellt werden und wird von dem Betrieb, welcher das Blech z. B. zu einem Bauteil umformt und die erfindungsgemäße Laserschweißung vornimmt, einfach unter Angabe der gewünschten Rauhigkeit bestellt.

Also kann eine der beiden Oberflächen eines Bleches, das mit einem zweiten Blech verschweißt werden soll - und zwar diejenige Oberfläche, welche zur Bildung des Schweißspaltes dem zweiten Blech zugewandt ist - erfindungsgemäß mit der definierten Rauhtiefe versehen sein, während die dem zweiten Blech abgewandte Seite - z. B. die später sichtbare Außenseite des zu produzierenden Bauteils - eine möglichst geringe Rauhtiefe, also eine möglichst glatte Oberfläche, aufweisen kann. Umgekehrt gilt dies auch für das zweite Blech, wobei - wie oben beschrieben - zu berücksichtigen ist, dass zwei zum erfindungsgemäßen Schweißen aufeinanderliegende Blechoberflächen mit definierter Rauhtiefe bezüglich der "Täler" des Rauhtiefenprofils eine Spaltweite ergeben, welche betraglich recht etwa der Summe von beiden Rauhtiefen entspricht. Die Rauhtiefen beider Bleche können dabei, wie ebenfalls bereits angedeutet, betraglich auch verschieden sein.

Wenn an einem Überlappstoß mehrere Bleche übereinanderliegen, wird erfindungsgemäß nur jedes zweite der übereinanderliegenden Bleche auf seinen beiden Blechoberflächen mindestens im Bereich des Überlappstoßes mit der definierten Rauhigkeit versehen, während die übrigen Blechoberflächen möglichst glatt ausgebildet werden, d. h. eine Rauhtiefe aufweisen, die um mindestens ungefähr eine Größenordnung geringer ist als die definierte Rauhtiefe. Wenn an einem Überlappstoß drei Bleche übereinanderliegen, wird vorzugsweise nur das mittlere Blech auf seinen beiden Oberflächen mindestens im Bereich des Überlappstoßes mit der der definierten Rauhigkeit versehen, während die beiden äußeren Bleche mindestens im Bereich des Überlappstoßes die glattere Oberfläche aufweisen.

Erfindungsgemäß kann die Rauhigkeit auch durch einen Grad gebildet werden, der beim Herstellen einer Perforierung - z. B. einer Bohrung - durch das erste der beiden Bleche, die miteinander verschweißt werden sollen, im Bereich des Überlappstoßes entsteht. Dieses Verfahren bietet sich insbesondere dann an, wenn für das Bauteil aus konstruktionstechnischen Vorgaben im Bereich der Umgebung des Überlappstoßes eine glattere Oberfläche (also eine geringere Rauhtiefe) erforderlich ist, als sie zum erfindungsgemäßen Einstellen der Spaltweite benötigt wird. In diesem Fall kann das Blech im Bereich des Überlappstoßes erfindungsgemäß perforiert werden, so dass von der Blechoberfläche, welche die Oberfläche des zweiten Blechs zur Bildung des Schweißspalts überdeckt, ein Grat in Richtung der Oberfläche des zweiten Blechs vorspringt. Durch definierte Verfahrensparameter der Perforation lässt sich dabei die Höhe des Grates einstellen, welche dann der gewünschten Spaltweite entspricht, indem sich die "glatte" Oberfläche des zweiten Blechs auf den Graten abstützt. Aber auch eine im wesentlichen glattrandige Perforation kann das der Erfindung zugrunde liegende Problem lösen, indem auch durch die Perforation - ob mit oder ohne Grat - Zinkdampf nach außen entweichen kann.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Überlappstoßes von drei Blechen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laserstrahlschweißen vorbereitet sind,

Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Überlappstoßes von zwei Blechen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, und

Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene, schematische Seitenansicht eines Überlappstoßes von zwei Blechen nach einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Überlappstoß 2 von drei aufeinanderliegenden Blechen 4, 6, 8 schematisch erkennbar. Das mittlere Blech 6, welches an dem Überlappstoß 2 zwischen den beiden außenliegenden Blechen 4, 8 angeordnet ist, hat an seinen beiden Blechoberflächen 10, 12 eine Rauhtiefe R. Die beiden außenliegenden Bleche 4, 8 haben an ihren beiden Blechoberflächen 14, 16 eine "glatte" Oberflächenstruktur, d. h. eine Rauhtiefe, die wesentlich - d. h. ungefähr eine Größenordnung - geringer ist als die Rauhtiefe des mittleren Blechs 6. Die Rauhtiefe einer Oberfläche ist bekanntlich der Abstand zwischen den Spitzen und den Tälern des Rauhigkeitsprofils der Oberfläche, und so ist dies auch schematisch in Fig. 1 für die Oberfläche 10, 12 des mittleren Blechs 6 in Fig. 1 erkennbar. Im Bereich des Überlappstoßes 2 liegen nun die "glatten" Oberflächen 14 der äußeren Bleche 4, 8 auf den Oberflächen 10, 12 des Bleches 6 auf. Dabei ruhen die "glatten" Oberflächen 14 auf den Spitzen 18 des Rauhigkeitsprofils R der Oberflächen 10, 12 des mittleren Bleches 6. Von den "glatten" Oberflächen 14 der äußeren Bleche 4, 8 entsteht so zu den Oberflächen 10, 12 des mittleren Bleches 6 ein Zwischenraum, der im Bereich der Täler 20 des Rauhtiefenprofils R am größten, nämlich ungefähr gleich der Rauhtiefe R, ist. Dieser Zwischenraum stellt die Spaltweite dar und entspricht, wie beschrieben, der Rauhtiefe R des Rauhtiefenprofils der Oberflächen 10, 12 des mittleren Bleches 6, wodurch Zinkdämpfe der verzinkten Bleche 4, 6, 8 entweichen können, wenn im Bereich des Überlappstoßes 2 eine Laserschweißnaht angebracht wird.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein Überlappstoß 22 von zwei Blechen 24, 26 schematisch erkennbar. Die Oberflächen beider Bleche 24, 26 sind "glatt" ausgebildet außer in dem Bereich ihrer aufeinanderzuweisenden Oberflächen im Bereich des Überlappstoßes 22. Dort haben die Oberfläche 28 des Bleches 24 und die Oberfläche 30 des Bleches 26 jeweils eine Rauhtiefe, deren Summe der Spaltweite S des Schweißspaltes zwischen den Blechen 24, 26 im Bereich des Überlappstoßes 22 entspricht: indem sich nämlich die Spitzen der Rauhtiefenprofile der beiden Oberflächen 28, 30 aufeinander abstützen, entsteht ein Zwischenraum zwischen diesen beiden Oberflächen 28, 30 mit einer größten Weite in einem Bereich, wo ein "Tal" des Rauhtiefenprofils der Oberfläche 28 gerade im Bereich eines "Tales" des Rauhtiefenprofils der Oberfläche 30 liegt. Der Abstand dieser beiden "Talsohlen" voneinander ist ungefähr gleich der Summe der Rauhtiefen der beiden Oberflächen 28, 30 dadurch, dass sich ja - statistisch über die beiden Oberflächen verteilt - im wesentlichen die "Spitzen" der beiden Oberflächen 28, 30 aufeinander abstützen, so dass sich als größte Spaltweite S. wie gesagt, ungefähr die Summe der beiden Rauhtiefen der beiden Oberflächen 28, 30 erfindungsgemäß ergibt. Durch diesen Zwischenraum kann Zinkdampf oder andere Emission entweichen, wenn im Bereich des Überlappstoßes 22 eine Schweißnaht angebracht wird.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird die Spaltweite S im Bereich des Überlappstoßes 22 zwischen den beiden Blechen 24, 26, die in ihrer Anordnung der Darstellung in Fig. 2 entsprechen, dadurch eingestellt, dass im Unterschied zu Fig. 2 die Oberflächen 28a, 30a der Bleche 24, 26 im Bereich des Überlappstoßes 22 "glatt" ausgebildet sind, wobei das Blech 24 im Bereich des Überlappstoßes 22 Perforationen 32 aufweist, welche erfindungsgemäß in derjenigen Richtung durch das Blech 24 angebracht wurden, welche im Bereich des Überlappstoßes 22 zu der dem Blech 26 zugewandten Blechoberfläche 28a des Bleches 24 verläuft. Bei dieser Perforierung entstehen an den Austrittsöffnungen der Perforationen 32 aus der Blechoberfläche 28a des Bleches 24 nach außen vorspringende Grate 34. Auf diesen Graten 34 stützt sich die Oberfläche 30a des zweiten Blechs 26 im Bereich des Überlappstoßes 22 ab, so dass die beiden den Schweißspalt bildenden Oberflächen 28a, 30a der Bleche 24, 26 im übrigen auf Abstand gehalten werden. Es entsteht also ein von den Graten gestützter Zwischenraum mit der Spaltweite S. durch den Zinkdampf oder andere Emissionen entweichen können, und auch durch die Perforationen selbst kann Zinkdampf entweichen, wenn im Bereich des Überlappstoßes 22 der beiden verzinkten Bleche 24, 26 eine Schweißnaht angebracht wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

2

Überlappstoß

4

oberes Blech

6

mittleres Blech

8

unteres Blech

10

Blechoberfläche

12

Blechoberfläche

14

Blechoberfläche

16

Blechoberfläche

18

Rauhtiefenprofilspitzen

20

Rauhtiefenprofiltäler

22

Überlappstoß

24

oberes Blech

26

unteres Blech

28

Schweißspaltblechoberfläche

28

a Schweißspaltblechoberfläche

30

Schweißspaltblechoberfläche

30

a Schweißspaltblechoberfläche

32

Perforation

34

Grat
R Rauhtiefe
S Spaltweite

Claims

1. Verfahren zum Laserschweißen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Blech (4, 6, 8, 24, 26), von denen mindestens eines beschichtet ist, vorzugsweise verzinkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in demjenigen Bereich (2, 22) der Blechoberfläche (10, 12, 28, 28a) des ersten Bleches (6, 24), der zur Bildung eines Überlappungsstoßes (2, 22) auf dem zweiten Blech (4, 8, 26) aufliegt, eine Rauhigkeit angebracht wird mit einer Rauhtiefe (R), die in Kombination mit der Rauhtiefe des zweiten Blechs (4, 8, 26) in demselben Bereich einen Zwischenraum in dem Überlappstoß (2, 22) erzeugt zum Entweichen von Schweißemissionen, insbesondere Zinkdampf.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit (R) auf der gesamten Blechoberfläche (10, 12) des ersten Blechs (6) angebracht wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit (R) auf der Oberfläche (10, 12) des Bleches (6) angebracht wird, bevor das Blech (6) aus seinem flachgewalzten Zustand zu einem Bauteil umgeformt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Überlappstoß (2) zwischen mehreren dort übereinanderliegenden Blechen (4, 6, 8) eine Schweißverbindung geschweißt wird, wobei die Rauhigkeit (R) auf beiden Blechoberflächen (10, 12) nur jedes zweiten der übereinanderliegenden Bleche (4, 6, 8) mindestens in dem Bereich des Überlappstoßes (2) angebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Überlappstoß (2) zwischen drei dort übereinanderliegenden Blechen (4, 6, 8) eine Schweißverbindung geschweißt wird, wobei die Rauhigkeit (R) auf den beiden Blechoberflächen (10, 12) nur des mittleren Blechs (6) mindestens in dem Bereich des Überlappstoßes (2) angebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhtiefe (R) zwischen 0,02 mm und 0,10 mm beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhtiefe (R) 0,05 mm beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsstoß (22) eine Perforierung (32) durch das Blech (24) aufweist zum zusätzlichen Entweichen von Schweißemissionen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit (R) durch einen Grat (34) gebildet wird, der beim Herstellen einer Perforierung (32) durch das Blech (24) entsteht.