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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen einer Dreiblechverbindung.
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Beim Remote-Laserstrahlschweißen wird ein Laserstrahl über ein Scannersystem auf die zu bearbeitenden Bauteile gerichtet und über diese geführt. Das Scannersystem erlaubt eine ein- oder mehrachsige Ablenkung des Laserstrahls mit sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Diese lassen sich noch steigern, wenn das Schweißen „on-the-fly“ erfolgt, d.h. wenn das Scannersystem 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 Arbeitsgeschwindigkeiten in der Automobilbranche etabliert.
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Das Remote-Laserstrahlschweißen ist dabei für Stahlblechbauteile ebenso einsetzbar wie für Aluminiumblechbauteile.
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Sollen mehr als zwei Blechlagen auf einmal gefügt werden, so kann dies dargestellt werden, indem man die Verbindungen in zwei separate Zweiblechverbindungen auflöst. Dies bedeutet einen erhöhten konstruktiven Aufwand, eine Kostensteigerung beim Schweißequipment, da sich der Fügeumfang erhöht, und eine Erhöhung der Taktzeit.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 013 914 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Verschweißen dreier Bleche mittels Laserstrahlung. Bei dem Verfahren erfolgt 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 hoher Leistung erforderlich sind, um die für die Modulation erforderlichen maximalen Laserleistungen bereitstellen zu können.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Verschweißen einer Dreiblechverbindung, insbesondere von Aluminiumblechen, anzugeben, welches die voranstehenden Nachteile nicht aufweist und das insbesondere großserientauglich ist und mit geringen Kosten umgesetzt werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zum Remote-Laserstrahlschweißen einer Dreiblechverbindung 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.
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Erfindungsgemäß wird zusätzlich eine zweiachsige Oszillationsbewegung parallel zur Schweißrichtung und quer zur Schweißrichtung überlagert. Mit anderen Worten wird der Vorwärtsbewegung des Laserstrahls eine Oszillationsbewegung überlagert, die sowohl eine Komponente parallel zur Schweißrichtung 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 Maßnahme kann die zur Schweißung von drei Blechen notwendige Streckenenergie auch bei einer reduzierten Strahlleistung erreicht werden.
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Hierbei erzielt das Verfahren besondere Vorteile, wenn die Blechbauteile jeweils aus Aluminiumblechen gefertigt sind. Durch das oszillierende Schweißen mit geringer Strahlleistung kann der Wärmeverzug minimiert werden, wodurch in den Aluminiumblechen die Heißrissanfälligkeit gesenkt wird. Gerade bei Randschweißungen geht die Heißrissanfälligkeit deutlich zurück.
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Durch das oszillierende Schweißen steigt die Prozesseffektivität gegenüber bekannten Verfahren deutlich. Die maximal notwendige Laserleistung kann gesenkt werden. Für das Verschweißen von drei Blechbauteilen, insbesondere 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 Laserleistung wird während der Dauer des Schweißprozesses konstant gehalten.
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Während der Schweißung wird der Laserstrahl oszillierend über die Blechbauteile bewegt. Hierbei wird die Oszillationsbewegung vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 500 Hz durchgeführt.
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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 liegende Acht.
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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.
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Der Strahlfleck- bzw. Spotdurchmesser des Laserstrahls kann in einer Ausgestaltung weniger als 500 Mikrometer oder weniger als 400 Mikrometer betragen. 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 Anbindungsfläche sowie die Streckenenergie, welche für eine den mechanischen Anforderungen genügende Schweißnaht notwendig sind, werden durch eine geeignete Wahl der Oszillationsparameter bereitgestellt.
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Bedingt durch thermischen Verzug der Bauteile oder aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten kann es zu einer geringen Überbiegung bzw. Welligkeit der Blechbauteile kommen, wodurch die Oberfläche der Bauteilanordnung 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.
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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.
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Die z-Lage der Oberfläche der Bauteilanordnung lässt sich z.B. mittels Lasertriangulation 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. Dieses Maß kann dann als Steuergröße in den Regelprozess für die Fokuslage einfließen.
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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.
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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 Aluminiumblechbauteile 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.
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Besondere Vorteile erzielt das Verfahren, weil es mit „Standardequipment“ in der Automobilproduktion durchführbar ist. Das Verfahren kann zudem in einem 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.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 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 erfindungswesentlich 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.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Dreiblechverbindung in perspektivischer Ansicht und
- 2 eine Schnittansicht durch die Dreiblechverbindung von 1.
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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 darstellen soll. Die Blechbauteile 10 bis 30 werden mit einer I-Naht verbunden. Hierzu wird ein Laserstrahl L entlang einer Schweißkontur 40 über die Bauteilanordnung 1 bewegt. Der Laserstrahl L beschreibt eine Bahnkurve, die sich aus einer Schweißgeschwindigkeit V in Schweißrichtung X sowie einer zweiachsigen Oszillationsbewegung zusammensetzt. Die Oszillationsbewegung 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 flächendeckend.
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In 1 ist die Schweißkontur als Gerade dargestellt, selbstverständlich kann sie jeden andere Verlauf aufweisen, beispielsweise einen gebogenen oder geschwungenen Verlauf.
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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 bestimmt 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.
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Durch den Laserstrahl wird Material der Blechbauteile aufgeschmolzen und erstarrt zu einer Schweißnaht 50. 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 möglich. Die notwendige Anbindungsbreite, welche deutlich größer ist als der Strahlfleckdurchmesser wird durch die Oszillation in y-Richtung erzielt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteilanordnung
- 10, 20, 30
- Blechbauteile
- 32
- Oberfläche
- 40
- Schweißkontur
- 50
- Schweißnaht
- L
- Laserstrahl
- Ox, Oy
- Oszillationskomponenten
- V
- Schweißgeschwindigkeit
- X, Y, Z
- Raumachsen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010013914 A1 [0005]
