DE19616062A1 - Verfahren zum Herstellen lasergeschweißter Doppelplatinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen lasergeschweißter Doppel­ platinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Doppelplatinen kommen zum Einsatz beim Innenhochdruckumfor­ men, im folgenden mit der Abkürzung IHU bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen von hohlen Formkörpern zum Beispiel für Automobilkomponenten.

Hierbei wird eine Doppelplatine, insbesondere aus verzinkten Stahlfeinblech­ zuschnitten, die an den Kanten rundum verschweißt sind, in ein geschlossenes Formwerkzeug eingebracht. Anschließend wird durch Einführen einer Hydrau­ likflüssigkeit zwischen die Bleche der Doppelplatine und Aufbringen eines hy­ draulischen Druckes von zum Beispiel 3000 bar die Doppelplatine kissenför­ mig aufgeblasen, bis der so erzeugte Hohlkörper das Formwerkzeug ausfüllt und damit dessen Form annimmt. Es ist bekannt, Formzuschnitte aus Stahl­ feinblech aufeinanderzulegen und mit einem Laserstrahl in der Nähe der Kan­ ten um den Umfang zu einer Doppelplatine zu verschweißen.

Über die Ausführung von Zwei-Blech-Verbindungen durch Laserschweißen wird im Forschungsbericht "Laserschweißgerechtes Konstruieren" der Daim­ ler Benz AG und FAT, Stuttgart, 1993, ausführlich berichtet.

Eine vorzugsweise Herstellung von Zwei-Blech-Verbindungen wird so vorge­ nommen, daß ein Laserstrahl senkrecht zur Blechoberfläche in Kantennähe am Umfang der aufeinandergelegten Formzuschnitte entlanggeführt wird, so daß eine I-Naht entsteht, die beide Bleche erfaßt.

Eine weitere bekannte Ausführungsart lasergeschweißter Zwei-Blech- Verbindungen sieht vor, den oben liegenden Formzuschnitt etwas kleiner zu machen als den unteren. Beim Aufeinanderlegen der Formzuschnitte springt dann die Kante des oberen Zuschnittes, z. B. einige Millimeter zurück, so daß mit einem schräg auf die Stoßfuge gerichteten Laserstrahl eine Kehlnaht her­ gestellt wird.

Eine andere bekannte Ausführungsart sieht vor, den Laserstrahl parallel zur Blechebene und damit senkrecht auf die Stirnflächen der Blechkanten zu rich­ ten und die Fuge zwischen den Blechen mit einer Stirnflächennaht, auch stirn­ seitige Bördelnaht genannt, zu verschweißen.

Alle beschriebenen Ausführungsarten sind ohne Schwierigkeiten herzustellen, wenn die Zuschnitte aus nicht oberflächenveredeltem Stahlfeinblech bestehen. Sollen jedoch sich überlappende Zwei-Blech-Verbindungen aus verzinkten Blechen durch Laserschweißen hergestellt werden, stört das Verdampfen der Zinkschicht den Schweißprozeß und führt zu Poren und Löchern in der Schweißnaht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Zink bereits bei 907°C verdampft, während das Stahlfeinblech erst ab 1500°C schmelzflüssig wird. Es ist bekannt, ein Entgasen des Schweißnahtbereiches, also ein Entweichen des Zinkdampfes aus dem Nahtbereich zu ermöglichen. Solche Maßnahmen sind z. B. in DE 44 07 190 A1, EP 0 421 091 B1, DE 38 12 448 C, US 4.682.002 und JP-09 56-62688 beschrieben.

Alle Erkenntnisse und Maßnahmen beziehen sich aber auf das Verschweißen von Formteilen aus verzinkten Blechen mit Hilfe von Flanschen oder Bör­ delkanten oder auf das Verschweißen von überlappt positionierten Blechkan­ ten, jedoch nicht auf das Verschweißen von zwei Blechzuschnitten am Umfang zu einer Doppelplatine.

Zur Vermeidung der durch Zinkdampf verursachten Poren und Löcher in der Laserschweißnaht an überlappten verzinkten Blechteilen sind bereits folgende bekannte Maßnahmen vorgeschlagen worden:

• A) Anbringen einer lokal wirksamen Spannvorrichtung, die im Überlappbereich einen seitlichen Spalt erzeugt, durch den der Zinkdampf entweichen kann, siehe Hannicke, L.:, Utilisation of Laser Welding Process in Series Producti­ on. Proceedings ALAW Detroit, Michigan, März 1994.
• B) Einstellen eines definierten Stoßspaltes, siehe A. Frings und W. Prange: Bearbeitung von ebenen und räumlichen Teilen aus Stahlfeinblechen. Laser Magazin 2189, S. 18-24; R. Imhoff, K. Behler, W. Gatzweiler und E. Beyer: Laser beam welding in car bosy making, Proceedings 5th int. Conf. Lasers in Manufacturing, Sept. 1988, S. 247-258.
• C) Einbringen von Sicken oder Rändelungen im Bereich der Schweißnaht, um Kanäle zu schaffen, durch die der Zinkdampf entweichen kann, vgl. EP 0 421 091 B1.
• D) Positionierung der Schweißnaht dicht an Hohlräumen oder Blechkrümmun­ gen, vgl. DE 38 12 448. US 4.682.002, JP-09-56-62688.
• E) Einbringen von 20 bis 30 µm tiefen, parallel zueinander und quer zur Schweißrichtung angeordneten Mikrokanälen mit Hilfe eines gepulsten Fest­ körperlasers in mindestens eine der zu verschweißenden Oberfläche im Schweißnahtbereich, siehe Rolf Klein und Rainer Fischer: Laserstrahl­ schweißen verzinkter Stahlbleche, Stahl, Formen, Fügen, Fertigen, Heft 3195, S. 20 ff.; Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf; Rolf Klein: Verzwicktes Zink, Laser-Praxis, Oktober 1995, S. 2 585 ff., Carl Hanser Verlag München; R. Klein, R. Fischer, Poprawe und K. Zimmermann: Aspekte des Laser­ strahlschweißens von Komponenten für den Automobilbau, VDI-Berichte, Nr. 1134, 1994, S. 127 ff; VDI-Verlag Düsseldorf 1994 sowie DE 44 07 190 A1.

Die Verfahren A und B erfordern außerordentlich aufwendige Spannvorrichtun­ gen, um bei definierter Spaltbreite auch noch eine prozeßsichere Schweißver­ bindung zu erhalten.

Die Verfahren C und E besagen, daß beim Verschweißen von zwei Blechen oder Blechteilen mindestens ein Blech oder Blechteil in einem getrennten Be­ arbeitungsschritt vor dem Verschweißen mechanisch oder mit einem Laser auf der gesamten Schweißlänge bearbeitet werden muß.

Dies erfordert gesonderte aufwendige Bearbeitungsvorrichtungen und minde­ stens einen zusätzlichen Bearbeitungsvorgang. Das Verfahren D ist nur für vorgeformte Blechteile, nicht jedoch für das Verschweißen ebener Blechteile anwendbar.

Nach dem Stand der Technik ist daher die Herstellung von Doppelplatinen aus ebenen Formzuschnitten aus verzinktem Stahlfeinblech entweder mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand oder gar nicht möglich.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaf­ fen, das es erlaubt, ebene verzinkte Formzuschnitte auf möglichst einfache Weise in einem Arbeitsgang zuverlässig mit einem Laserstrahl auf dem gesam­ ten Umfang zu einer Doppelplatine verschweißen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Anspruch 2 beinhaltet eine vorteilhafte Weiterbildung des er­ findungsgemäßen Verfahrens.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Zwei Zuschnitte gleicher Form und Größe aus verzinktem Stahlfeinblech wer­ den in bekannter Weise aufeinander gelegt und in einer drehbaren Spannvor­ richtung so positioniert, daß die Blechkanten am gesamten Umfang bündig lie­ gen. Die drehbare Spannvorrichtung ist so ausgelegt, daß die Stirnflächen der Kanten in bekannter Weise am gesamten Umfang durch den Brennfleck eines Laserschweißstrahles geführt werden können, wobei der Laserschweißstrahl parallel zur Blechebene und senkrecht auf die Stirnseiten der Blechkanten und der Brennfleck auf den Spalt zwischen den Blechen positioniert ist. Bei dem ersten Durchlauf der Blechkanten der Doppelplatine durch den Brennfleck wird die Laserleistung so gesteuert, daß der zu verschweißende Kantenbereich auf eine Temperatur zwischen 907°C und 1500°C erwärmt wird. Hierdurch ver­ dampft das Zink im Schweißnahtbereich und tritt aus dem Spalt zwischen den Blechen aus. Bei dem zweiten Durchlauf der Blechkanten wird die Laserlei­ stung so erhöht, daß die Blechkanten durch eine Stirnflächennaht miteinander verschweißt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen lasergeschweißter Doppelplatinen aus Stahlfein­ blechzuschnitten gleicher Form und Größe, die kantenbündig aufeinander positioniert sind und im gesamten Umfang an einem Laserschweißstrahl vor­ beigeführt werden, wobei der Laserstrahl senkrecht auf die Stirnflächen der Blechkanten gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von verzinkten Stahlfeinblechzuschnitten für die Doppelplatinen der Brennfleck des Laserstrahls auf die Fuge zwischen den Blechkanten positioniert ist und in einem ersten Umlauf des Lasers der Bereich der zu verschweißenden Fuge auf eine Temperatur zwischen 907°C und 1500°C mit entsprechend ange­ paßter Laserleistung erwärmt wird und daß in einem zweiten Umlauf die Blechkanten mit dem Laser mit erhöhter Leistung mit einer Stirnflächennaht verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweiß­ vorgang die Blechkanten durch zwei Rollen gegeneinander gedrückt werden.