DE4341255C2 - Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen - Google Patents
Verfahren zum Laserstrahlschweißen von BauteilenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen
von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus
der gattungsbildend zugrundegelegten EP 511 746 A2 als bekannt
hervorgeht.
Aus der EP 511 746 A2 ist ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen
einer Überlappnaht von zwei Blechen bekannt, die im Bereich ih
rer späteren gemeinsamen Schweißnaht einen Materialüberstand
aufweisen. Der Laserstrahl wird unter einem spitzen Winkel in
den Fügespalt eingestrahlt und zumindest teilweise reflektiert.
Der teilreflektierte Laserstrahl wird in den Fügespalt umge
lenkt. Ferner schmilzt der schweißende Laserstrahl zusätzlich
noch außerhalb des Fügespaltes Basiswerkstoff aus dem Mate
rialüberstand auf, der durch Kapillarwirkung in den Fügespalt
gelangt, wo er als Zusatzwerkstoff zur Füllung der Schweißnaht
dient. Trotz dieser Maßnahme treten bei dieser Art der Laser
strahlschweißung allerdings die Einfallstellen in der Schweiß
naht auf.
Beim Laserstrahlschweißen werden während des Schweißprozesses
hohe Ansprüche an die Bauteilaufspannung gestellt. Ein quali
tätsbestimmendes Kriterium für das Schweißergebnis ist neben der
erforderlichen Positioniergenauigkeit der Bauteile auch die Fü
gestellengeometrie und die Fügegenauigkeit. Aus fertigungstech
nischen Gründen lassen sich Bauteile nur mit einem Spalt zwi
schen den einzelnen Komponenten fügen. So treten bspw. beim Fü
gen von komplexen, zerspanend bearbeitenden Bauteilen und beim
Verbinden von dreidimensionalen Tiefziehbauteilen u. a. auch grö
ßere Spalte zwischen den zu fügenden Bauteilen bzw. Bauteilen
auf. Diese Spalte in den Fügestellen sind allein durch eine auf
wendige Aufspanntechnik nicht gänzlich zu beseitigen, so daß
beim Laserstrahlschweißen dieser Teile an den Fügestellen ein
Nahteinfall auftritt, der direkt mit der Spaltbreite korreliert
ist.
Eine mögliche Abhilfe dieser Problematik ist auf dem Gebiet des
Karosserierohbaus durch DVS 146, S. 210-212, 1992, bekannt ge
worden. Es wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen unter Zu
hilfenahme eines Zusatzwerkstoffes in Form eines Zusatzdrahtes
beschrieben. Der Zusatzdraht wird extern der Fügestelle zugeführt,
vom Laserstrahl geschmolzen und das geschmolzene Material des
Zusatzdrahtes zur Füllung der ansonst auftretenden Einfallstelle
verwendet. Die Dosierung des Zusatzdrahtes sowie das Handling
der Zuführeinrichtung des Zusatzdrahtes bedingt jedoch insbeson
dere bei 3D-Bauteilen einen teuren apparativen und zeitintensi
ven Aufwand.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundege
legte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß es bei wei
terer Verringerung, insbesondere Vermeidung der Einfallstellen
an den Schweißnähten einfacher und billiger angewendet werden
kann.
Die Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen zugrundegelegten
Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ge
löst. Dadurch, daß der Laserstrahl außerhalb des Fügespalts auf
die Oberfläche des Materialüberstands gerichtet wird und das aus
dieser Oberfläche aufgeschmolzene Basismaterial mittels eines
Arbeitsgases in den Fügespalt transportiert wird, ist eine ge
naue Dosierung des insgesamt aufgeschmolzenen Werkstoffs und da
mit der Schweißnahtfüllung möglich. Es entfällt auch ein separat
als Zusatzwerkstoff zuzuführender Zusatzdraht und mit ihm auch
der für seine Zuführung benötigte teure apparative und zeitin
tensive Aufwand.
Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Fi
guren dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden erläu
tert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Ausschnitt auf einen Überlappstoß, der durch von
zwei Bauteilen abragenden Flanschen gebildet wird mit an
gelegtem Laserstrahl,
Fig. 2 der geschweißte Überlappstoß nach Fig. 1 und
Fig. 3 einen T-Stoß, der durch einen von einem Bauteil abragen
den Flansch und eine an den Flansch angelegte Schmalseite
eines zweiten Bauteiles gebildet wird, mit zur Verschwei
ßung angelegtem Laserstrahl.
In Fig. 1 ist ein Überlappstoß dargestellt, der von zwei anein
ander gelegten Flanschen 9, 10 gebildet wird, die an zwei entlang
dem Überlappstoß zu verschweißenden Bauteilen (Unterteil 2 und
Oberteil 3) angeordnet sind und die von dem Unterteil 2 und dem
Oberteil 3 nach außen abragen. Die Erstreckung des Flansches 9
des Unterteiles 2 ist größer als die entsprechende Ersteckung
des Flansches 10 des Oberteiles 3. Beim Aneinanderfügen des
Oberteiles 3 an das Unterteil 2 werden diese derart aneinander
gelegt, daß der Flansch 9 des Unterteiles 2 entlang des gesamten
Fügespaltes 1 einen Materialüberstand 4 bildend über den Rand
des Flansches 10 des Oberteiles 3 hinausragt. Des weiteren ist
der Materialüberstand 4 in einfacher Weise frei zugänglich für
den Laserstrahl 5. Als günstig hat es sich hierbei erwiesen, die
vom Fügespalt weg gemessene Erstreckung des Materialüberstandes
4 größer als die lichte Weite des Fügespaltes 1 zwischen dem
Flansch 9 des Unterteiles 2 und dem Flansch 10 des Oberteiles 3
zu wählen. Bei aus Blech gefertigten Unterteiles 2 wird die Er
streckung des Materialüberstandes 4 sinnvollerweise größer als
das 0.5 bis 7-fache, insbesondere das 1- bis 3-fache der Wand
dicke des Materialüberstandes 4 gewählt. Bei normalen in der Au
tomobilindustrie verwandten Blechen ergibt sich damit für die
nach außen gemessene Erstreckung des Materialüberstandes 4 etwa
zwischen 0.5 mm und 7 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 4 mm.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen und Fügeungenauigkeiten und
dgl. weist der zwischen den Flanschen 9 und 10 angeordnete Füge
spalt 1 eine lichte Weite auf, die in ungünstigen Fällen größer
0.2 mm sein kann. Diese lichte Weite des Fügespaltes 1 führt bei
herkömmlichen Laserschweißtechniken zu Komplikationen, wie bspw.
einem Einfall der Schweißnaht 13. Um dies zu vermeiden wird bei
der Erfindung die Achse 7 des Laserstrahles 5 derart gegenüber
der Oberfläche 8 des Materialüberstandes 4 geneigt, daß sie mit
dieser Oberfläche 8 einen Winkel α kleiner 30°, insbesondere
zwischen 8° und 12° einschließt. Des weiteren trifft die Achse 7
des Laserstrahles 5 die Oberfläche 8 des Materialüberstandes 4
etwa 0.5 mm bis 4 mm, insbesondere 1 mm bis 2 mm außerhalb des
Fügespaltes 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der
eingeschlossene Winkel α ca. 10° und die Entfernung des Auf
treffpunktes 14 der Achse 7 des Laserstrahles 5 auf dem Mate
rialüberstand 4 von dem Fügespalt 1 etwa 2 mm. Durch diese Maß
nahmen schmilzt der Laserstrahl 5 außerhalb des Fügespaltes 1
Basiswerkstoff aus dem Materialüberstand 4 auf. Der geschmolzene
Basiswerkstoff des Materialüberstandes 4 wird durch ein Arbeits
gas 6, das u. a. auch noch die Oxidation des Schmelzbades weitge
hend verhindert, in Richtung des Fügespaltes 1 transportiert. In
dem Fügespalt, der den Materialtransport durch Kapillarwirkung
unterstützt, wird der geschmolzene Basiswerkstoff zusammen mit
dem durch den in dem Fügespalt 1 reflektierten Laserstrahl 5
(siehe Fig. 3) nahezu zeitgleich geschmolzenen Basiswerkstoff
des Fügespaltes 1 gemeinschaftlich als Zusatzwerkstoff zur Fül
lung der Schweißnaht 13 verwandt. Die erstarrte Schmelze füllt
dann ohne Einfallstellen, wie in Fig. 2 dargestellt, den gesam
ten Fügespalt 1 aus.
Durch den Abtransport des geschmolzenen Basiswerkstoffes des Ma
terialüberstandes 4 verbleibt i. a. bei fertig verschweißten Bau
teilen außerhalb des Fügespaltes 1 eine Mulde 15. Diese Mulde 15
kann in einigen Fällen dadurch vermieden werden, daß der Mate
rialüberstand 4, der Fügespalt 1 und die Schweißparameter derart
eingestellt werden, daß zur Auffüllung der Schweißnaht 13 der
Materialüberstand 4 nahezu vollständig aufgeschmolzen wird.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, und zwar ein T-
Stoß, dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird nur das
Unterteil 2' mit einem Flansch 11 versehen. An diesem Flansch 11
wird unter Wahrung eines vom Laserstrahl 5 zugänglichen und etwa
1 mm bis 2 mm betragenden Materialüberstandes 4' die zu Schwei
ßung vorgesehene Schmalseite 12 des Oberteiles 3' angelegt und
ausgerichtet. Ein Teil des Materialüberstandes 4' dient beim an
schließenden Laserschweißen als Zusatzwerkstoff zur Füllung der
Schweißnaht. Der Laserstrahl 5 wird hierbei nicht in den Füge
spalt 1' eingekoppelt, sondern um 1 mm bis 2 mm außerhalb des
Fügespaltes 1' auf den Materialüberstand 4' gerichtet. Durch den
Abstand des Auftreffpunktes 14' des Laserstrahls 5 auf dem Mate
rialüberstand 4' von dem Fügespalt 1' und durch einen Einfalls
winkel (Winkel α') kann das Volumen des vom Laserstrahl 5 aufge
schmolzenen Basiswerkstoffes des Materialüberstandes 4' festge
legt werden. Das Schmelzvolumen hängt hierbei linear mit dem Ab
sorbtionsgrad des Basiswerkstoffes zusammen. Dieser Absorbtions
grad wiederum ist abhängig vom Einstrahlwinkel, also dem einge
schlossenen Winkel α'.
Als vorteilhaft hat sich hierbei ein Einstrahlwinkel gegenüber
der Oberfläche 8' des Materialüberstandes 4' zwischen 8° und 12°
erwiesen, da hier das geeignetste Verhältnis zwischen aufge
schmolzenem Basiswerkstoff des Materialüberstandes 4'
(Absorbtion) und ausreichender Reststrahlung (Reflexion) vor
liegt. Der Transport des aufgeschmolzenen Basiswerkstoffes des
Materialüberstandes 4' erfolgt durch ein koaxial zum Laserstrahl
5 zugeführtes Arbeitsgas 6, das den aufgeschmolzenen Basiswerk
stoff in Richtung des Fügespaltes 1' bläst und der von der Ka
pillarwirkung des Fügespaltes 1' unterstützt wird. Beim an
schließenden Erstarren verhindert die Oberflächenspannung der
Schmelze ein Zurücklaufen des aufgeschmolzenen Basiswerkstoffes
des Materialüberstandes 4' in die Mulde 15' des
Materialüberstandes 4', aus dem er aufgeschmolzen wurde.
Claims (5)
1. Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen, bei dem ei
nes der beiden zu verschweißende Bauteile im Bereich ihrer spä
teren gemeinsamen Schweißnaht einen Materialüberstand aufweist,
welcher unter Bildung der Schweißnaht aufgeschmolzen und als
Schweißnahtauffüllung verwandt wird, wobei,
mit dem schweißenden Laserstrahl außerhalb des Fügespaltes Ba
siswerkstoff aus dem Materialüberstand aufgeschmolzen wird und
durch Kapillarwirkung in den Fügespalt gelangt, wo er als Zu
satzwerkstoff zur Füllung der Schweißnaht dient,
bei dem weiterhin der schweißende Laserstrahl teilweise reflek
tiert und der teilreflektierte Laserstrahl in den Fügespalt um
gelenkt wird,
dadurch gekennzeichnet
- 1. - daß der Laserstrahl (5) mit seiner Achse (7) außerhalb des Fü gespaltes (1, 1') auf die Oberfläche (8, 8') des Materialüber standes (4, 4') gerichtet wird,
- 2. - daß die Achse (7) des Laserstrahls (5) mit der Oberfläche (8) des Materialüberstandes (4, 4') einen Winkel (α, α') kleiner als 30°, insbesondere zwischen 8° und 12° einschließt und
- 3. - daß das aus dieser überstehenden Oberfläche (8, 8') aufge schmolzene Basismaterial mittels eines Arbeitsgases (6) in den Fügespalt (1, 1') transportiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vom Fügespalt (1, 1') weg gemessene Erstreckung des Ma
terialüberstandes (4, 4') größer als die lichte Weite des Füge
spaltes (1, 1') zwischen dem Unterteil (2, 2') und dein Oberteil
(3, 3') gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei aus Blech gefertigten Unter- (2, 2') bzw. Oberteilen (3,
3') die Erstreckung des Materialüberstandes (4, 4') größer als
das 0.5 bis 7-fache, insbesondere das 1 bis 3-fache der Wand
dicke des Materialüberstandes (4, 4') gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die nach außen gemessene Erstreckung des Materialüberstandes
(4, 4') etwa zwischen 0.5 mm und bis 7 mm, insbesondere zwischen
1 mm und 4 mm gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl (5) mit seiner Achse (7) etwa 0.5 mm bis 4
mm, insbesondere 1 mm bis 2 mm außerhalb des Fügespaltes (1, 1')
auf den Materialüberstand (4, 4') ausgerichtet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4341255A DE4341255C2 (de) | 1993-12-03 | 1993-12-03 | Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen |
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DE4341255A DE4341255C2 (de) | 1993-12-03 | 1993-12-03 | Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen |
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DE4341255A1 DE4341255A1 (de) | 1995-06-08 |
DE4341255C2 true DE4341255C2 (de) | 1998-07-30 |
Family
ID=6504119
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DE4341255A Expired - Fee Related DE4341255C2 (de) | 1993-12-03 | 1993-12-03 | Verfahren zum Laserstrahlschweißen von Bauteilen |
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