DE10331745B4

DE10331745B4 - Laserschweißverbindung und Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißverbindung

Info

Publication number: DE10331745B4
Application number: DE10331745A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schulz-Marner Hartmut
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2023-07-12
Also published as: DE10331745A1

Abstract

Laserschweißverbindung (1) von drei übereinander angeordneten Blechbauteilen (2, 3, 4), wobei zumindest eines der Blechbauteile (2, 3, 4) beschichtet ist und wobei das mittlere Blechbauteil (3) konvexe oder konkave Ausformungen (5, 10, 10', 10'', 10''') zur Einstellung eines definierten Abstands (a) gegenüber den äußeren Blechbauteilen (2, 4) in einem Verbindungsbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ausformung (5, 10, 10', 10'', 10''') sowohl einen konvexen Bereich (6, 11, 11', 11'', 11'''), welcher gegen das erste äußere Blechbauteil (4) mit Abstand (a2) anliegt, als auch einen konkaven Bereich (7, 12, 12', 12'', 12'''), welcher gegen das zweite äußere Blechbauteil (2) mit Abstand (a1) anliegt, aufweist, wobei die Laserschweißverbindung (1) zumindest eine Lasernaht in Form einer Steppnaht oder einer durchgehenden Naht aufweist, die zwischen den konkav-konvexen Ausformungen (5, 10, 10', 10'', 10'''), durch diese hindurch oder tangierend verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschweißverbindung von drei übereinander angeordneten Blechbauteilen, wobei zumindest eines der Blechbauteile beschichtet, insbesondere verzinkt ist und wobei das mittlere Blechbauteil konvexe oder konkave Ausformungen zur Einstellung eines definierten Abstandes gegenüber den äußeren Blechbauteilen in einem Verbindungsbereich aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißverbindung.
Korrosionsgefährdete Bauteile aus Stahlblech werden, insbesondere im Automobilbau, zunehmend mit einer einseitigen oder beidseitigen Oberflächenbeschichtung, beispielsweise aus Zink, versehen. Zum Schweißen solcher Blechbauteile wird in der Praxis das Verfahren des Laserschweißens angewendet. Durch die vergleichsweise niedrige Verdampfungstemperatur des Zinks der Oberflächenbeschichtung solcher Blechbauteile kann es zur Bildung von Löchern bzw. Poren innerhalb der Schweißnaht kommen, welche die Festigkeit der Schweißverbindung erheblich herabsetzen. Zur Vermeidung dieses Problems muss der entstehende Zinkdampf aus dem Bereich der Schweißnaht entweichen können. Dieses wird insbesondere dadurch unterstützt, dass die überlappend angeordneten zu verschweißenden Blechbauteile im Überlappungsbereich nicht vollflächig aufeinander liegen, sondern dass zwischen ihnen ein Spalt offen gehalten wird, durch den der entstehende Zinkdampf entweichen kann.
Zur Realisierung dieses Spaltes sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren beschrieben.
Die DE 39 33 408 A1 betrifft eine Laserschweißverbindung für verzinkte Bleche mit einer quer zu den überlappten Blechen ausgerichteten und die Blechlagen durchdringenden Laserschweißnaht. Die Blechlagen werden durch Noppen bzw. Sicken, die in wenigstens eines der Bleche neben der Laser-Schweißnaht verlaufend integriert und in es eingedrückt sind, auf Distanz gehalten werden.
Bei der Laserschweißverbindung von drei Blechbauteilen werden die Ausformungen abwechselnd konvex oder konkav ausgeführt, so dass jede Ausformung mit jeweils einem der äußeren Blechbauteile in Verbindung steht und dieses damit in dem definierten Abstand hält.
Die DE 100 42 538 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem durch eine in die Blechbauteile angebrachte Rauhigkeit ein Zwischenraum in einem Überlappstoß erzeugt wird, durch welchen Schweißemissionen, insbesondere Zinkdampf, entweichen können. Diese Rauhigkeit kann durch unterschiedliche Verfahren und Maßnahmen in die Blechbauteile eingebracht werden. Beispielsweise kann die Rauhigkeit durch einen Grat gebildet werden, welcher beim Herstellen einer Perforierung entsteht.
Nach einem durch die WO 99 08829 A1 bekannten Verfahren wird auf ein Unterblech einer zu schweißenden Blechpaarung ein punktueller Laserpuls gerichtet. Mittels der hierdurch entstehenden Vorsprünge wird ein Entgasungsspalt zwischen den beiden Blechen realisiert. Die Vorsprünge werden dabei entsprechend der zu schweißenden Schweißnaht auf dem Unterblech erzeugt.
Durch die DE 44 07 190 A1 sind auch rändelungsartig angeordnete Oberflächenstrukturen bekannt, die in einem Fügebereich von zwei überlappend angeordneten beschichteten Blechen mittels getakteter Hochenergiestrahlung, insbesondere Laserstrahlung, eingebrannt werden. Durch die hierbei entstehenden Erhebungen wird der Abstand der zu verschweißenden benachbarten Bleche gewährleistet. Die Rändelungen werden entsprechend der zu schweißenden Lasernaht in das Blech eingebracht.
Als nachteilig bei den genannten Laserschweißverbindungen erweist es sich, dass der Abstand benachbarter Ausformungen zugleich relativ klein und zudem im Wesentlichen einheitlich bemessen sein muss, da anderenfalls die zur Fixierung der drei Bleichbauteile erforderlichen Fügekraft zu einer Durchbiegung eines äußeren Blechbauteiles führt. In der Praxis führt dies dazu, dass bei der Fixierung das der Ausformung abgewandte Blechbauteil auf das mittlere Blechbauteil gepresst wird und dadurch die Einhaltung eines einheitlichen Spaltmaßes über die Bauteilfläche erheblich erschwert oder sogar ausgeschlossen ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laserschweißverbindung zum Verbinden von Blechbauteilen zu schaffen, durch die insbesondere auch bei einer lediglich punktuell auf die Blechbauteile wirkenden Fixierkraft die Ausbildung einheitlicher Spaltmaße ermöglicht wird. Insbesondere soll dadurch die flächige Auflage benachbarter Blechbauteile ausgeschlossen werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißverbindung zu schaffen.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Laserschweißverbindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Laserschweißverbindung vorgesehen, bei der jede Ausformung sowohl einen konvexen Bereich, welcher gegen das erste äußere Blechbauteil (4) mit Abstand anliegt, als auch einen konkaven Bereich, welcher gegen das zweite äußere Blechbauteil mit Abstand anliegt, aufweist, wobei die Laserschweißverbindung zumindest eine Lasernaht in Form einer Steppnaht oder einer durchgehenden Naht aufweist, die zwischen den konkav-konvexen Ausformungen durch diese hindurch oder tangierend verläuft. Hierdurch wird erreicht, dass die Ausformung zugleich als Abstandhalter für beide äußeren Blechbauteile wirkt, so dass die im Bereich dieser Ausformung aufgebrachte Fixierkraft nicht zu einer Annäherung der äußeren Blechbauteile an das mittlere Blechbauteil führt. Vielmehr bildet die Ausformung einen die äußeren Blechbauteile unmittelbar mit vorbestimmten Abstand verbindenden Abstandhalter. Insbesondere ist also eine Verformung der Blechbauteile aufgrund der Fixierkraft weitgehend ausgeschlossen. Die Fixierkraft kann dabei über Einzelspannelemente, die jeweils mindestens eine konkav-konvexe Ausformung überdecken, eingeleitet werden. Ebenso können die Spannelemente, die die Fixierkraft einleiten, nur lokal im Bereich der konkav-konvexen Ausformung oder über die volle Länge des zu lasernden Flansches aufliegen. Vorteilhaft ist die vollflächige Übertragung der Fixierkraft gleichzeitig sowohl über den konkaven und konvexen Bereich der Ausformung, jedoch ist auch ein nur teilweiser Kontakt möglich, wobei jedoch sowohl der konkave als auch der konvexe Bereich zumindest teilweise funktionell die Fixierkraft überträgt. Weiterhin ist es entbehrlich, die Ausformungen paarweise anzuordnen um das gewünschte Spaltmaß einzuhalten, so dass ferner mehrere Ausformungen auch unterschiedliche Abstände voneinander aufweisen können. Vorteilhaft ist eine komplette Abbildung der konkav-konvexen Ausformung auf dem Bauteil. Auch kann die Ausformung teilweise an der Bauteil-Beschnittkante enden, jedoch muss sowohl der konkave als auch der konvexe Bereich teilweise eingeprägt sein und die Fixierkraft übertragen können. insbesondere ist die erforderliche Funktionalität der Ausformung im Gegensatz zum Stand der Technik bereits durch eine einzige Ausformung realisiert.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass der konvexe Bereich von dem konkaven Bereich zumindest teilweise eingeschlossen ist. Hierbei erstreckt sich der konkave Bereich beiderseits des konvexen Bereichs, so dass dabei beispielsweise ein linienförmiger Kontakt zu dem zugeordneten äußeren Blechbauteil realisiert ist. Die Ausbildung eines Kippmomentes bei der Einwirkung der Fixierkräfte wird dadurch vermieden.
Weiterhin erweist sich eine Abwandlung als besonders zweckmäßig, wenn der konvexe Bereich und der konkave Bereich zueinander konzentrisch angeordnet sind. Hierdurch wird eine gleichmäßige Krafteinleitung erreicht, die es gestattet, vergleichsweise große Fixierkräfte ohne eine unerwünschte Verringerung des Spaltmaßes einzuleiten und damit die Fixierung zu optimieren.
Eine besonders günstige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dann erreicht, wenn der konkave Bereich den konvexen Bereich kreisringförmig einschließt. Hierdurch bildet sich zwischen dem äußeren Blechbauteil und dem konkaven Bereich ein linienförmiger Kontakt aus, welcher gegenüber dem abgewandten konvexen Bereich einen einheitlichen radialen Abstand aufweist. Eine mögliche unzulässig hohe Fixierkraft führt dabei zu einer gleichmäßigen Verformung sowohl des konvexen als auch des konkaven Bereichs.
Dabei ist es zudem besonders vorteilhaft, wenn der konvexe Bereich und der konkave Bereich achssymmetrisch angeordnet sind, um so ungleichmäßige Krafteinleitungen zu verhindern.
Grundsätzlich ist es möglich, dass insbesondere bei unterschiedlichen Blechbauteilen der konvexe Bereich und der konkave Bereich eine abweichende Höhe gegenüber der Blechbauteiloberfläche aufweisen, die somit zu unterschiedlichen Spaltmaßen führt. Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Ausgestaltung, wenn der konvexe Bereich und der konkave Bereich einen übereinstimmenden Abstand zur Blechbauteilmitte aufweisen, so dass in einfacher Weise ein gleich bleibendes Spaltmaß beiderseits des mittleren Blechbauteils sichergestellt ist.
Die beispielsweise noppenförmigen Ausformungen mit den jeweiligen konkaven und konvexen Bereichen können dabei sowohl in einem einzigen Arbeitsgang gleichzeitig ausgeformt werden oder aber in unterschiedlichen Arbeitsschritten bzw. Werkzeugoperationen ausgeformt werden. Zudem können die Ausformungen durch Nachschlagen oder Nachformen eingestellt werden. Weiterhin ist es auch möglich, dass bewegliche und ggf. mit einem separaten Antrieb versehene Werkzeug-Aktiv-Elemente die Ausformung abbilden. Grundsätzlich ist die konkav-konvexe Ausformung in Größe und Form von dem prägenden Werkzeug abhängig. Jedoch ist auch eine Variante zweckmäßig, bei der das auszuformende Blechbauteil eine Relativbewegung im Bereich der Prägeelemente ausführt, so dass die konkav-konvexe Ausformung eine in Werkstoffflussrichtung längliche Ausdehnung aufweist, die größer ist, als die des Prägeelementes.
Die zweitgenannte Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung der Laserschweißverbindung zu schaffen, wird dadurch gelöst, dass der konvexe Bereich und der konkave Bereich der Ausformung in einer einzigen Werkzeugoperation oder nacheinander hergestellt werden. Hierzu kann die Ausformung durch Nachschlagen oder Nachformen mittels eines Werkzeug-Aktiv-Elementes ausgebildet werden.
Ferner kann die Ausformung zugleich mit einem Nachformprozess des Blechbauteils erfolgen. Beim Prägen der noppenförmigen Ausformung wird das Blechbauteil gleichzeitig nachgeformt, so dass eine Relativ-Bewegung des Fügeflansches gegenüber dem Prägestempel erfolgt. Dies erfolgt insbesondere bei in Werkstoffflussrichtung ausgerichteten länglichen Ausformungen. Die Ausformung ist dabei länger, als der Noppen-Prägestempel.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipskizze in
1 eine Laserschweißverbindung von drei Blechbauteilen in einer Seitenansicht;
2 die in 1 gezeigte Laserschweißverbindung in einer Draufsicht;
3 weitere Bauformen von Ausformungen für Laserschweißverbindungen in einer Draufsicht.
Die 1 und 2 zeigen eine Prinzipdarstellung einer Laserschweißverbindung 1 von zumindest in jeder Kontaktfläche infolge blechseitiger Oberflächenbehandlung vorhandener, in der Skizze nicht dargestellter, Beschichtung, insbesondere Verzinkung, wobei oftmals alle drei Blechbauteile 2, 3, 4 beidseitig mit einer zinkhaltigen Beschichtung versehen sind. Die Lasernaht kann dabei als Steppnaht oder als durchgehende Naht ausgeführt sein, und sowohl zwischen den konkav-konvexen Ausformungen, durch diese hindurch oder tangierend verlaufen. Dabei dient das mit Ausformungen 5 ausgestattete mittlere Blechbauteil 3 der Festlegung eines jeweils definierten Abstandes a₁, a₂ gegenüber den äußeren Blechbauteilen 2, 4. Jede Ausformung 5 ist dabei sowohl mit einem konvexen Bereich 6, welcher gegen das erste äußere Blechbauteil 4 anliegt, als auch mit einem konkaven Bereich 7, welcher gegen das zweite äußere Blechbauteil 2 anliegt, ausgestattet. Eine mittels eines Spannelementes 8 beidseitig eingeleitete Fixierkraft F wird dadurch mittels der Ausformung 5 zwischen den äußeren Blechbauteilen 2, 4 übertragen, so dass der jeweilige Abstand a₁, a₂ auch bei vergleichsweise großen Krafteinleitungen unbeeinflusst bleibt. Der konvexe Bereich 6 und der konkave Bereich 7 sind dabei zueinander konzentrisch angeordnet und können einen jeweils zur Blechbauteilmitte übereinstimmenden Abstand a₁ und a₂ aufweisen.
3 zeigt weitere mögliche Bauformen von Ausformungen für Laserschweißverbindung, bei denen das mittlere Blechbauteil 9 mit unterschiedlichen Ausformungen 10, 10', 10'', 10''' ausgestattet ist. Die jeweiligen Ausformungen 10, 10', 10'', 10''' weisen dabei jeweils einen konvexen Bereich 11, 11', 11'', 11''' und einen zu diesen konvexen Bereich beidseitig angeordneten konkaven Bereich 12, 12', 12'', 12''' auf.
Bezugszeichenliste

1: Laserschweißverbindung
2: Blechbauteil
3: Blechbauteil
4: Blechbauteil
5: Ausformung
6: konvexer Bereich
7: konkaver Bereich
8: Spannelement
9: Blechbauteil
10, 10', 10'', 10''': Ausformung
11, 11', 11'', 11''': konvexer Bereich
12, 12', 12'', 12''': konkaver Bereich
a₁: Abstand
a₂: Abstand
F: Fixierkraft

Claims

Laserschweißverbindung (1) von drei übereinander angeordneten Blechbauteilen (2, 3, 4), wobei zumindest eines der Blechbauteile (2, 3, 4) beschichtet ist und wobei das mittlere Blechbauteil (3) konvexe oder konkave Ausformungen (5, 10, 10', 10'', 10''') zur Einstellung eines definierten Abstands (a) gegenüber den äußeren Blechbauteilen (2, 4) in einem Verbindungsbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ausformung (5, 10, 10', 10'', 10''') sowohl einen konvexen Bereich (6, 11, 11', 11'', 11'''), welcher gegen das erste äußere Blechbauteil (4) mit Abstand (a₂) anliegt, als auch einen konkaven Bereich (7, 12, 12', 12'', 12'''), welcher gegen das zweite äußere Blechbauteil (2) mit Abstand (a₁) anliegt, aufweist, wobei die Laserschweißverbindung (1) zumindest eine Lasernaht in Form einer Steppnaht oder einer durchgehenden Naht aufweist, die zwischen den konkav-konvexen Ausformungen (5, 10, 10', 10'', 10'''), durch diese hindurch oder tangierend verläuft.
Laserschweißverbindung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Bereich (6, 11, 11', 11'', 11''') von dem konkaven Bereich (7, 12, 12', 12'', 12''') zumindest teilweise eingeschlossen ist.
Laserschweißverbindung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Bereich (6, 11, 11', 11'', 11''') und der konkave Bereich (7, 12, 12', 12'', 12''') zueinander konzentrisch angeordnet sind.
Laserschweißverbindung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Bereich (7, 12, 12', 12'', 12''') den konvexen Bereich (6, 11, 11', 11'', 11''') kreisringförmig einschließt.
Laserschweißverbindung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Bereich (6, 11, 11', 11'', 11''') und der konkave Bereich (7, 12, 12', 12'', 12''') achssymmetrisch angeordnet sind.
Laserschweißverbindung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände (a₁, a₂) zur Blechbauteilmitte übereinstimmen.
Laserschweißverbindung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Blechbauteile (2, 3, 4) verzinkt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Bereich (6, 11, 11', 11'', 11''') und der konkave Bereich (7, 12, 12', 12'', 12''') der Ausformung (5, 10, 10', 10'', 10''') in einer einzigen Werkzeugoperation oder nacheinander hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung (5, 10, 10', 10'', 10''') durch Nachschlagen oder Nachformen mittels Werkzeug-Aktiv-Elementen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung (5, 10, 10', 10'', 10''') zugleich mit einem Nachformprozess des mittleren Blechbauteils (3) erfolgt.