DE10248402B3 - Laser beam welding device for sheet metal panels, e.g. in automotive industry, with deformation of free edge of one sheet metal panel to provide flow gap for escape of vapor resulting from welding process - Google Patents

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Abstract

The welding device (1) has a laser welding head (5) displaced along the overlapping region between upper and lower sheet metal panels (2,3) together with a pressure element (7) for pressing the sheet metal panels together at the welding point. At least one of the facing surfaces of the sheet metal panels has a coating which vaporizes during welding, the pressure element providing deformation of the free edge (11) of one sheet metal panel, for providing a wedge-shaped flow gap (12) for the coating vapor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a Welding device of sheet metal connections using a laser beam according to the preamble of claim 1.

Wie bei allen Schmelzschweißverfahren verursachen auch beim Laserstrahlschweißen Verunreinigungen (Lacke, Öle, Fett, Oxidschicht, Zink) auf der Blechoberfläche innere Nahtfehler, wie z.B. Poren, Risse und Löcher. Werden andererseits hohe Anforderungen an die Schweißnahtqualität gestellt, wie dies im Karosseriebau der Fall ist (Festigkeit und Dichtigkeit im Außenbereich), so müssen die zu verbindenden Bauteile für das Schweißverfahren entsprechend vorbereitet werden.As with all fusion welding processes also cause contamination during laser beam welding (paints, oils, grease, Oxide layer, zinc) on the sheet surface internal seam defects, such as e.g. Pores, cracks and holes. On the other hand, if high demands are placed on the weld quality, as is the case in body construction (strength and tightness outside), so must the components to be connected for the welding processes be prepared accordingly.

Das Laserstrahlschweißen von Überlappstößen verzinkter Bleche, bei denen die Zinkschichten zweier Bleche einander zugewandt sind, ist als kritisch anzusehen. Daher müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden. Dazu gehört in erster Linie die Bereitstellung von Abströmräumen, die der Aufnahme bzw. dem Entweichen von sich bildendem Zinkdampf dienen sollen. Um ein Abströmen des Zinkdampfes zu ermöglichen, ist z.B. ein wenigstens einseitig offener Abströmspalt zwischen den Blechen erforderlich. Die dazu benötigte Spaltweite beträgt nur einen Bruchteil der Blechdicke. Zur Schaffung eines Abströmspaltes und zur Einhaltung einer optimalen Spaltweite während des Schweißvorganges sind verschiedene Lösungen bekannt.Laser beam welding of overlap joints galvanized Sheets in which the zinc layers of two sheets face each other are to be regarded as critical. Therefore, special arrangements must be made to be hit. That is part of it primarily the provision of outflow spaces that are suitable for the intake or serve to escape the evolving zinc vapor. To a outflow of zinc vapor is possible e.g. an outflow gap between the sheets which is open at least on one side required. The gap width required for this is only a fraction of the sheet thickness. To create an outflow gap and to maintain an optimal gap width during the welding process are different solutions known.

In der DE 39 09 471 C2 wird zwischen den beiden zu verschweißenden, verzinkten Blechen im Überlappungsbereich in wenigstens eines der Bleche eine Rändelung eingebracht. Diese kann als Quer-, Schräg- oder Kreuzrändelung ausgebildet sein. Damit ist ein konstanter Spalt zwischen den beiden Blechen geschaffen, der ein sicheres Abströmen entstehender Zinkdämpfe gewährleistet. Nachteilig dabei ist, dass die Rändelung in das Blech in einem separaten Arbeitsgang eingebracht werden muss.In the DE 39 09 471 C2 is knurled between the two galvanized sheets to be welded in the overlap area in at least one of the sheets. This can be designed as cross, oblique or cross knurling. This creates a constant gap between the two sheets, which ensures that zinc vapors are safely discharged. The disadvantage here is that the knurling must be introduced into the sheet in a separate operation.

Die DE 39 33 408 C2 sieht für den gleichen Zweck mindestens eine Sicken- bzw. Noppenreihe vor, die in wenigstens eines der Bleche eingedrückt ist.The DE 39 33 408 C2 provides at least one row of beads or knobs for the same purpose, which is pressed into at least one of the sheets.

Gemäß der DE 38 12 448 C1 wird vorgeschlagen, dass die beiden Bleche entlang der Schweißnaht mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufeinander stoßen und beidseitig der Schweißnaht voneinander beabstandet sind.According to the DE 38 12 448 C1 It is proposed that the two sheets meet with different radii of curvature along the weld seam and are spaced apart on both sides of the weld seam.

Die DE 198 54 217 C2 sieht vor, dass im Bereich der Schweißnaht bevorzugt das Oberblech eine durch zwei Radien definierte Stufe aufweist. Während des Schweißprozesses wird die Lage der Stufe mittels eines Sensors erkannt und der Laserstrahl anhand der Sensorsignale positioniert.The DE 198 54 217 C2 provides that in the area of the weld seam the top plate preferably has a step defined by two radii. During the welding process, the position of the step is recognized by a sensor and the laser beam is positioned based on the sensor signals.

Bei der US-Patentschrift 4,745,257 werden seitlich neben dem Schweißnahtverlauf Randflansche von Ober- und Unterblechen in der Weise von einer Spannvorrichtung gehalten und beabstandet, dass ein definierter Abströmspalt verbleibt.U.S. Patent 4,745,257 edge flanges from the upper and washers held in the manner of a jig and spaced that a defined outflow gap remains.

Um beim Laserstrahlschweißen ein optimales Ergebnis zu erhalten müssen weiterhin die miteinander zu verbindenden Bleche im Überlappungsbereich aneinander liegen. Ein eventuell vorhandener Spalt zwischen den Blechen darf nur ein Bruchteil der Blechdicke betragen. Diese geringen Fertigungstoleranzen lassen sich jedoch in der Regel beim Herstellungsprozess (z.B. Tiefziehen) nicht erreichen, so dass die Ungleichmäßigkeiten und Ungenauigkeiten in der Blechkontur die geforderten Toleranzen überschreiten. Um hier Abhilfe zu schaffen werden während des Schweißprozesses beispielsweise Anpressrollen ( DE 44 03 999 C2 ) oder Andrückpins ( DE 44 15 035 C2 ) verwendet.In order to obtain an optimal result in laser beam welding, the sheets to be joined together must continue to lie in the overlap area. Any gap between the sheets may only be a fraction of the sheet thickness. However, these small manufacturing tolerances cannot usually be achieved during the manufacturing process (e.g. deep drawing), so that the irregularities and inaccuracies in the sheet metal contour exceed the required tolerances. In order to remedy this, pressure rollers (e.g. DE 44 03 999 C2 ) or push pins ( DE 44 15 035 C2 ) used.

Die FR 2 822 400 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls, bei der ein Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich übereinanderliegenden oberen und unteren Blechen bewegungsgesteuert entlangführbar ist. Mit dem Laserschweißkopf ist ein Andrückelement mitbewegbar, das angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf das obere Blech im Überlappungsbereich drückt. Die einander zugewandten Flächen der Bleche sind mit einem Überzug versehen, der beim Schweißen einen Überzug- Dampf bildet. Das obere Blech wird mit einer eine Blechdeformation bewirkenden Andrückkraft beaufschlagt, so dass ein Abströmspalt für den Überzug- Dampf entsteht.The FR 2 822 400 A1 describes a device for welding sheet metal connections by means of a laser beam, in which a laser welding head can be guided along motion-controlled along two upper and lower sheets lying one above the other in an overlap area. A pressure element can be moved with the laser welding head, which presses on the upper sheet in the overlap area adjacent to the immediate welding point. The facing surfaces of the sheets are provided with a coating which forms a coating vapor during welding. The upper sheet is subjected to a pressing force which causes a sheet deformation, so that an outflow gap is created for the coating steam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahles so weiter zu bilden, dass mit minimalem Aufwand einerseits gewährleistet ist, dass die zu verschweißende Bleche im Bereich der Schweißstelle zuverlässig aneinander liegen und in gleicher Weise ein zuverlässiges Abströmen eines während des Schweißvorganges entstehenden Überzug-Dampfes gewährleistet ist.The invention is based on the object a generic device for welding to form sheet metal connections by means of a laser beam, that on the one hand it is guaranteed with minimal effort that the welded Sheets in the area of the weld reliable lie against each other and in the same way a reliable outflow of a while of the welding process resulting coating steam guaranteed is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved with the Features of claim 1 solved.

Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Zuordnung zueinander von Andrückelement und Auflage sowie durch geeignete Wahl der Andrückkraft erreichen lässt, dass ein zwar nur schmaler Abströmspalt entsteht, dass dieser aber durchaus ausreicht, ein zuverlässiges Abströmen des Überzug-Dampfes zu gewährleisten.It has been shown in tests that the arrangement or assignment according to the invention of the pressing element and the support, as well as a suitable choice of the pressing force, achieve that although there is only a narrow outflow gap, this is quite sufficient to ensure a reliable outflow of the coating steam.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind mit den Unteransprüchen beansprucht.Advantageous further training and Embodiments of the invention are claimed with the subclaims.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is based on a drawing explained in more detail.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Schweißen zweier verzinkter Bleche 2, 3 mittels eines Laserstrahles 4, der von einem Laserschweißkopf 5 bereitgestellt wird. Laserstrahl 4 und Laserschweißkopf 5 sind in der Figur durch Strichlinien angedeutet. Der Verlauf der Schweißnaht 6 ist dabei in die Zeichenebene hinein gerichtet. Bezüglich der Schweißrichtung dem Auftreffpunkt des Laserstrahles 4 vorzugsweise in einem Abstand von 3-4 mm vor- oder nachgeordnet sorgt ein das obere Blech 2 beaufschlagender Andrückfinger 7 dafür, dass an der Schweißstelle die zu verbindenden Bleche 2, 3 weitgehend spaltfrei aneinander liegen. Der Andrückfinger 7 wird von einer Haltevorrichtung 8 aufgenommen, über die auch die erforderliche Andrückkraft zur Verfügung gestellt wird.The single figure shows schematically a device 1 for welding two galvanized sheets 2 . 3 by means of a laser beam 4 by a laser welding head 5 provided. laser beam 4 and laser welding head 5 are indicated in the figure by dashed lines. The course of the weld 6 is directed into the plane of the drawing. Regarding the welding direction, the point of impact of the laser beam 4 The upper sheet is preferably arranged at a distance of 3-4 mm upstream or downstream 2 pressing finger 7 to ensure that the metal sheets to be joined at the welding point 2 . 3 lie against each other largely without gaps. The pressure finger 7 is from a holding device 8th recorded, via which the required pressure force is also made available.

Die auf das obere Blech 2 einwirkenden Andrückkräfte werden durch dem Konturverlauf des unteren Bleches 3 angepasste Konturstücke 9 einer Auflage 10 aufgenommen. Diese Konturstücke 9 stützen dabei bezogen auf den Schweißnahtverlauf gegenüber der Angriffsstelle des Andrückfingers 7 mit einem gewissen seitlichen Versatz (Abstand x) das untere Blech 3 ab. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das untere Blech 3 seitlich neben dem Konturstück 9 als Randflansch 11 freikragend absteht. Dies hat zur Folge, dass sich bei ausreichend hoher Andrückkraft eine zur Ausbildung eines keilförmigen Abströmspaltes 12 ausreichende Deformation des oberen Bleches 2 bzw. des Randflansches 11 herausbildet.The one on the top sheet 2 pressing forces are due to the contour of the lower plate 3 adapted contour pieces 9 one edition 10 added. These contour pieces 9 provide support in relation to the course of the weld seam opposite the point of application of the pressure finger 7 with a certain lateral offset (distance x) the lower plate 3 from. In the exemplary embodiment it is provided that the lower sheet 3 to the side of the contour piece 9 as an edge flange 11 protrudes cantilevered. The result of this is that, with a sufficiently high pressing force, there is a formation of a wedge-shaped outflow gap 12 sufficient deformation of the upper plate 2 or the edge flange 11 out forms.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Konturstücke 9 in einer Breite von etwa 4-5 mm zu wählen und entlang des gesamten Verlaufes der Schweißnaht 6 anzuordnen.It has proven advantageous to use the contour pieces 9 to be selected in a width of about 4-5 mm and along the entire course of the weld 6 to arrange.

Ein Roboter zur Führung der Vorrichtung 1, bestehend aus Laserschweißkopf 5 und Haltevorrichtung 8, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt.A robot to guide the device 1 consisting of laser welding head 5 and holding device 8th is not shown for reasons of clarity.

Die nachfolgende Tabelle spiegelt bisherige Versuchsergebnisse wieder. In Abhängigkeit verschiedener Blechstärken von oberem und unterem Blech 2, 3 ergaben sich wechselbezügliche Abhängigkeiten zwischen Andrückkraft und Wirkungsort (Abstand -x- zum Konturstück 9) des Andrückfingers 7. Stets war damit ein ausreichend großer keilförmiger Abströmspalt 12 für den Überzug-Dampf erreichbar.The following table reflects previous test results. Depending on different sheet thicknesses of upper and lower sheet 2 . 3 there were interdependencies between the pressing force and the place of action (distance -x- to the contour piece 9 ) of the pressure finger 7 , There was always a sufficiently large wedge-shaped outflow gap 12 accessible for the coating steam.

Figure 00050001
Figure 00050001

Claims (4)

Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls, wobei ein Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich übereinander liegenden oberen und unteren Blechen bewegungsgesteuert entlangführbar und mit dem Laserschweißkopf ein Andrückelement mitbewegbar ist, das angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf das obere Blech im Überlappungsbereich drückt und wobei wenigstens eine der einander zugewandten Flächen der Bleche mit einem Überzug versehen ist, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf die Schweißrichtung, mit seitlichem Versatz zum Wirkungsort des Andrückelementes (7) das untere Blech (3) von einer Auflage (10) abgestützt wird, und dass auf der anderen Seite das obere Blech (2) und/oder das untere Blech (3) als Randflansch freikragend absteht, und dass schließlich das Andrückelement (7) zumindest mit einer solchen, eine Blechdeformation bewirkenden Andrückkraft das obere Blech (2) beaufschlagt, dass ein keilförmiger Abströmspalt (12) für den Überzug-Dampf entsteht.Device for welding sheet metal connections by means of a laser beam, a laser welding head being guided motion-controlled along two upper and lower sheets lying one above the other in an overlap area, and a pressing element can also be moved with the laser welding head adjacent to the immediate welding point presses on the upper sheet in the overlap area and at least one of the facing surfaces of the sheets is provided with a coating which forms a coating vapor during welding, characterized in that, with respect to the welding direction, with a lateral offset to the place of action of the pressure element ( 7 ) the lower sheet ( 3 ) of an edition ( 10 ) and that on the other side the upper plate ( 2 ) and / or the lower sheet ( 3 ) protrudes as a cantilever flange, and that the pressing element ( 7 ) at least with such a pressing force causing a sheet metal deformation the upper sheet ( 2 ) acts on a wedge-shaped outflow gap ( 12 ) for the coating steam. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Blechmaterialstärken zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, durch Andrückkräfte zwischen 370 N und 530 N und durch einen Abstand (-x-) als Versatz zwischen Andrückelement (7) und Auflage (10) im Bereich zwischen 3,0 mm und 4,5 mm.Apparatus according to claim 1, characterized by sheet material thicknesses between 0.8 mm and 2.0 mm, by pressing forces between 370 N and 530 N and by a distance (-x-) as an offset between the pressing element ( 7 ) and edition ( 10 ) in the range between 3.0 mm and 4.5 mm. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement als insbesondere punktuell, wirkender Andrückfinger (7) ausgebildet ist und dass das untere Blech (3) von seinem Konturverlauf angepassten Konturstücken (9) der Auflage (10) abgestützt wird.Device according to claim 1, characterized in that the pressure element acts as a pressure finger ( 7 ) and that the lower sheet ( 3 ) contour pieces adapted from its contour course ( 9 ) of the edition ( 10 ) is supported. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturstücke (9) eine Breite von etwa 4-5 mm aufweisen und über den gesamten Verlauf einer Schweißnaht (6) reichen.Device according to claim 3, characterized in that the contour pieces ( 9 ) have a width of about 4-5 mm and over the entire course of a weld ( 6 ) pass.
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