DE102005004787A1

DE102005004787A1 - Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102005004787A1
Application number: DE102005004787A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. Becker; Jens Dipl.-Ing. Bühler; Tilman Dipl.-Ing. Froschmeier; Klaus Dipl.-Ing. Goth; Markus Dipl.-Ing. Knöller; Claus-Dieter Dipl.-Ing. Reiniger; Daniel Dipl.-Ing.(FH) Zauner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: US20060222457A1; DE102005004787B4; US7290957B2

Abstract

Beim Laserstrahlschweißen bildet sich am Ende der Schweißnaht ein so genannter Endkrater. Der Endkrater entsteht infolge der Volumenschrumpfung der erstarrenden Schmelze nachdem der Laserstrahl am Nahtende ausgeschaltet oder umpositioniert wurde. Der Endkrater wirkt als geometrische Kerbe und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht, so daß es zu Löchern oder Rissen im Bereich des Endkraters kommen kann. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Nahtende an einer Stelle angeordnet wird, welche einen Materialüberschuss gegenüber der umgebenden Oberfläche aufweist oder dadurch, dass die Naht zum Nahtende hin eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass infolge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht ein Nachfluss der Schmelze zum Nahtende hin auftritt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3 sowie 6 und 8. Solche Schweißnähte und Verfahren sind bereits aus der DE 19630521 A1 bekannt.

Beim Laserstrahlschweißen bildet sich am Ende der Schweißnaht ein sogenannter Endkrater. Der Endkrater entsteht infolge der Volumenschrumpfung der erstarrenden Schmelze nachdem der Laserstrahl am Nahtende ausgeschaltet oder umpositioniert wurde. Der Endkrater wirkt als geometrische Kerbe und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften insbesondere der Betriebsfestigkeit der Schweißnaht, so dass es zu Löchern oder Rissen im Bereich des Endkraters kommen kann.

Zur Verringerung der Endkraterbildung wird gemäß der DE 19630521 A1 die Laserleistung am Nahtende reduziert (sog. "Leistungsrampe") oder die Schweißgeschwindigkeit erhöht (sog. "Geschwindigkeitsrampe").

Ähnliche Methoden mittels Senkung der Laserleistung oder Defokussierung des Laserstrahls werden in der DE 10229744 A1 , JP 55114490 A und JP 60216987 A offenbart.

Dieses Vorgehen reduziert das Problem geringfügig, ist aber häufig nicht ausreichend.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.

Die Erfindung ist in Bezug auf die zu schaffende Laserschweißnaht und das zu schaffende Verfahren zu deren Herstellung durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 sowie 6 und 8 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Laserschweißnaht und des erfindungsgemäßen Verfahrens

Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Laserschweißnaht erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Nahtende an einer Stelle angeordnet ist, welche einen Materialüberschuss gegenüber der umgebenden Oberfläche aufweist.

Das überschüssige Material wird vom Schweißlaserstrahl ebenfalls aufgeschmolzen und füllt den sich am Nahtende infolge der Volumenschrumpfung der erstarrenden Schmelze ausbildenden Endkrater auf und verkleinert diesen dadurch wesentlich bzw. beseitigt ihn im Idealfall vollständig.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Materialüberschuss als lokale, aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung ausgebildet.

Eine solche aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung kann beispielsweise gemäß der DE 10241593 A1 erzeugt werden, indem der Laserstrahl um das Zentrum seiner Bearbeitungsfläche eine enger werdende Spirale beschreibt. Eine solche Topographieänderung kann unabhängig von der Laserschweißnaht erzeugt werden oder auch während deren Erzeugung.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer aus der Oberfläche herausragenden Topographieänderung ist das Prägen oder Bördeln von zu schweißenden Blechen.

Am Beginn einer Laserschweißnaht bildet sich ebenfalls eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung aus.

Eine weitere Lösung der Aufgabe bezüglich der zu schaffenden Laserschweißnaht ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass die Naht zum Nahtende hin eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass infolge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht ein Nachfluss der Schmelze zum Nahtende hin auftritt.

Eine solche Wechselwirkung stellt sich beispielsweise ein, wenn der Abstand zwischen hin- und gegenlaufender Naht das 5-fache der Nahtbreite nicht überschreitet. Sie ist besonders ausgeprägt, wenn der Abstand das 3-fache der Nahtbreite nicht überschreitet.

Besonders vorteilhaft für die Reduzierung eines Enkraters ist eine Länge der gegenlaufender Naht, die mindestens das 3-fache der Nahtbreite beträgt, vorzugsweise mindestens das 5-fache, jedoch vorzugsweise nicht länger als das 10-fache.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung einer Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Nahtende an ei ner Stelle angeordnet wird, welche einen Materialüberschuss aufweist.

Bei der Erzeugung der Schweißnaht wird das überschüssige Material vom Schweißlaserstrahl ebenfalls aufgeschmolzen und füllt den sich am Nahtende infolge der Volumenschrumpfung der erstarrenden Schmelze ausbildenden Endkrater auf und verkleinert diesen dadurch wesentlich bzw. beseitigt ihn im Idealfall vollständig.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Materialüberschuss als lokale, aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung ausgebildet.

Eine solche aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung kann wie vorstehend beschrieben erzeugt werden.

Eine weitere Lösung der Aufgabe bezüglich des zu schaffenden Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass zum Nahtende hin der Laserstrahl derart geführt wird, dass die resultierende Schweißnaht eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung erfährt, so dass infolge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht ein Nachfluss der Schmelze zum Nahtende hin auftritt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Verfahrens wird der Laserstrahl derart zum Nahtende geführt, dass der Abstand zwischen hin- und gegenlaufender Naht das 5-fache der Nahtbreite, vorzugsweise das 3-fache, nicht überschreitet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zum Nahtende der Laserstrahl derart geführt wird, dass die Länge der gegenlaufenden Naht mindestens das 3-fache der Nahtbreite beträgt, vorzugsweise mindestens das 5-fache, jedoch vorzugsweise das 10-fache nicht überschreitet.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater mit den bekannten Verfahren mit Reduzierung der Laserleistung, Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und/oder Defokussierung kombiniert werden.

Bei Anwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren ergeben sich geeignete Erstarrungszonen am Schweißnahtende beim Schweißen der im Automobilbau üblicherweise verwendeten Stahlbleche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch ebenso zum Schweissen anderer Metalle oder auch von Kunststoffen geeignet.

Nachfolgend werden anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der Figur die erfindungsgemäße Laserschweißnaht und das erfindungsgemäße Verfahren zu deren Herstellung näher erläutert:
In einem ersten Ausführungsbeispiel werden in ein Stahl-Blech an voraus berechneten Positionen, an denen später Schweißnahtenden liegen sollen, aus der Oberfläche herausragende Topographieänderungen eingebracht. Dazu wird das Blech ausgerichtet, eine Scanner-Einrichtung wird gleichmäßig darüber verfahren und lenkt einen Laserstrahl über die Bearbeitungsfläche. Die Scanner-Einrichtung besteht aus einem dreidimensional schwenkbaren computer-gesteuerten Spiegelsystem. Die Scannereinrichtung weist circa 300 mm Abstand zur Oberfläche des Bleches auf, der Laserfokus befindet sich auf der zu schweißenden Oberfläche. Zur Erzeugung einer aus der Oberflä che herausragenden Topographieänderung wird der Laserstrahl so geführt, dass er um das Zentrum seiner Bearbeitungsfläche eine enger werdende Spirale mit Maximaldurchmesser von 3 mm beschreibt. Die Laserleistung beträgt 1700 Watt, die Schweißgeschwindigkeit 15 m/s.
Nach Erzeugung der aus der Oberfläche herausragenden Topographieänderungen wird der Laserstrahl erneut über die Oberfläche geführt, um nun die Schweißnähte derart zu ziehen, dass deren Enden auf den Topographieänderungen liegen. Die Laserleistung beträgt 1700 Watt, die Schweißgeschwindigkeit 15 m/s. Beim Schweißen über die Topographieänderungen wird das aus der Oberfläche herausragende, überschüssige Material vom Schweißlaserstrahl ebenfalls aufgeschmolzen und füllt den sich am Nahtende infolge der Volumenschrumpfung der erstarrenden Schmelze ausbildenden Endkrater auf und verkleinert diesen dadurch wesentlich.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel (gemäß der schematischen und nicht maßstabsgerecht dargestellten Figur) wird ein Laserstrahl (mit o.g. Parametern) zum Nahtende hin entlang einer abgerundeten Strahlführungskurve mit geringem Schweißnahtradius derart geführt, dass die resultierende Schweißnaht eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung erfährt. Durch einen Wärmestau infolge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht wird die Abkühlzeit des Nahtendes verlängert und ein Nachfliessen der Schmelze zum Nahtende hin wird begünstigt, wodurch die Endkraterbildung reduziert wird.
Dazu wird der Laserstrahl derart geführt wird (die Pfeile in der Figur geben die Bewegungsrichtung an), dass der Abstand a zwischen hin- und gegenlaufender Naht das 5-fache der Nahtbreite b beträgt und die Länge l der gegenlaufenden Naht das 10-fache der Nahtbreite b beträgt.
Die erfindungsgemäße Laserschweißnaht und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für das Laserschweißen von Stahl-Blechen in der Automobilindustrie.
Insbesondere kann so eine deutliche Verringerung der Endkrater erreicht werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht deutlich verbessert werden. Durch den Einsatz eines Laserscanners können zusätzlich erhebliche Vorteile bezüglich der Bearbeitungszeit und Genauigkeit erzielt werden.
Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
Der Art der Materialüberschüsse, insbesondere die Art der Einbringung von Topographieänderungen, sind nicht zwingend durch die genannten Grenzen und Ausführungsbeispiele vorgegeben, sondern können bei Bedarf unter Zuhilfenahme des fachmännischen Könnens, beispielsweise an das zu schweissende Material angepaßt werden.
Gleiches gilt für Art, Ausmaß und Abmessungen der gegenläufigen Richtungsänderung, welche anstatt der beispielhaft dargestellten abgerundeten Strahlführungskurve auch entlang einer gewinkelten, insbesondere spitzwinkligen, Strahlführungskurve verlaufen kann.

Claims

Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater dadurch gekennzeichnet, dass das Nahtende an einer Stelle angeordnet ist, welche einen Materialüberschuss aufweist.
Laserschweißnaht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialüberschuss als lokale, aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung ausgebildet ist.
Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater dadurch gekennzeichnet, dass die Naht zum Nahtende hin eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass infolge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht ein Nachfluss der Schmelze zum Nahtende hin auftritt.
Laserschweißnaht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen hin- und gegenlaufender Naht das 5-fache der Nahtbreite, vorzugsweise das 3-fache, nicht überschreitet.
Laserschweißnaht nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der gegenlaufender Naht mindestens das 3-fache der Nahtbreite beträgt, vorzugsweise mindestens das 5-fache.
Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater, dadurch gekennzeichnet, dass das Nahtende an einer Stelle angeordnet wird, welche einen Materialüberschuss aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass vor Erreichen des Nahtendes eine lokale, aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nahtende der Laserstrahl derart geführt wird, dass die resultierende Schweißnaht eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung erfährt, so dass infolge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht ein Nachfluss der Schmelze zum Nahtende hin auftritt.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zum Nahtende der Laserstrahl derart geführt wird, dass der Abstand zwischen hin- und gegenlaufender Naht das 5-fache der Nahtbreite, vorzugsweise das 3-fache, nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass zum Nahtende der Laserstrahl derart geführt wird, dass die Länge der gegenlaufenden Naht mindestens das 3-fache der Nahtbreite beträgt, vorzugsweise mindestens das 5-fache.