DE19916831A1

DE19916831A1 - Verfahren zum Laser-WIG-Schweißen beschichteter Stahlbleche

Info

Publication number: DE19916831A1
Application number: DE19916831A
Authority: DE
Inventors: Peter Krull
Original assignee: Individual
Current assignee: Krull Peter Dipl-Ing 24594 Hohenwestedt De
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-19

Abstract

Das Laser-WIG-Schweißen als Hybridprozeß ist gegenüber dem Laserstrahlschweißen ein kostengünstiges Verfahren und kann bisher nicht für die Verbindung beschichteter Stahlbleche eingesetzt werden. DOLLAR A Um metallisch, organisch oder anorganisch beschichtete Stahlbleche gleicher oder unterschiedlicher Blechdicke und gleicher oder unterschiedlicher Stahlqualitäten bei guter Schweißnahtqualität, hohen Prozeßgeschwindigkeiten und niedrigen Fertigungskosten herstellen zu können, ist das Laser-WIG-Schweißen mit dem der Erfindung zugrundeliegenden Verfahren verwendbar. DOLLAR A Mit dem Laser-WIG-Verfahren wird die Herstellung von Taylored Blanks mit metallischen, organischen oder anorganischen Beschichtungen ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von metallisch, organisch und anorganisch beschichteten Stahlblechen gleicher oder unterschiedlicher Blechdicke, gleicher oder unterschiedlicher Stahlqualitäten und gleicher oder unterschiedlicher Beschichtungen bzw. beschichteter/unbeschichteter Bleche mit einem Laser-Wolfram-Inertgas-(WIG)- Schweißverfahren, wobei als Laser ein Nd : YAG-Festkörperlaser verwendet wird und der Laserstrahl und der WIG-Lichtbogen in einer Prozeßzone gleichzeitig zusammen als Hybridprozeß den Fügevorgang bewirken (Fig. 1).

Mit dem Laser-WIG-Schweißen werden im Vergleich zum Laserstrahlschweißen die Produktivität und die Effizienz des Fügeprozesses erhöht, die Investitionskosten pro Ausgangsleistung gesenkt und Prozeßsicherheit und Nahtqualität gesteigert, was auf verschiedene physikalische Effekte zurückzuführen ist.

Ein Laserstrahl (1) erzeugt eine Dampfkapillare (3) im Werkstück, welches vom Lichtbogen (2) eines WIG-Brenners (7) überdeckt wird. Der Lichtbogen (2) hat eine größere Ausdehnung als die Dampfkapillare (3), weshalb nur ein Teil der Lichtbogenenergie in die Dampfkapillare (3) eingekoppelt werden kann. Somit wirkt der Lichtbogen (2) überwiegend als Oberflächenwärmequelle, die der Schweißnaht eine typische kelchförmige Gestalt gibt. Lichtbogenströmung und Lichtbogendruck übertragen einen Impuls auf die Schmelzbadoberfläche, wodurch die Schmelzbaddynamik erleichtert und verstärkt wird. Die effektive Blechdicke wird durch die entstehende Mulde reduziert und die Lasereinkopplung verbessert, weshalb die Schweißgeschwindigkeit erhöht und die Produktivität verbessert wird. Eine Führung des Lichtbogens (2) durch den Laserstrahl (1) tritt dadurch ein, daß der Lichtbogen (2) den energetisch günstigsten Zustand annimmt, indem er auf dem Fußpunkt des Laserstrahls (Ansatz der Dampfkapillare, umgebende Schmelzzone) brennt. Somit müssen Laserstrahl (1) und Elektrodenspitze nicht exakt positioniert sein, um einen Hybridprozeß zu ermöglichen. Insbesondere bei dreidimensionalen Fügeaufgaben entfallen dadurch zusätzliche Positionierachsen und ermöglichen einen kostengünstigen, reproduzierbaren Prozeß bei hoher Schweißnahtqualität.

Beim Lichtbogenschweißen können im Vergleich zum Laser-WIG-Schweißen nur erheblich geringere Schweißgeschwindigkeiten realisiert werden, beim Laserstrahlschweißen ist bei gleicher Schweißgeschwindigkeit und sicherer Durchschweißung ein erheblich größerer Gesamtenergieeinsatz aufgrund des sehr geringen Wirkungsgrades von Laserstrahlquellen als beim Laser-WIG-Verfahren erforderlich. Die am Werkstück für den Fügeprozeß notwendige Energie wird beim Laser-WIG-Verfahren einerseits durch den Laserstrahl, andererseits durch den Lichtbogen zu Verfügung gestellt, wobei der Wirkungsgrad einer Lichtbogenschweißmaschine erheblich höher ist und somit der Gesamtenergieeinsatz für den Fügeprozeß im Vergleich zum Laserstrahlschweißen erheblich reduziert wird. Darüberhinaus ist bei gleicher Gesamtleistung am Werkstück eine Laserstrahlquelle mit geringerer Leistung für den Fügeprozeß ausreichend. Die Investitionskosten für eine Laserstrahlquelle sind stark leistungsabhängig und um Größenordnungen höher als für eine Lichtbogenschweißstrom quelle. Der Kostenvergleich zwischen konventionellem Laserstrahlschweißen und Laser-WIG-Schweißen führt zu geringeren Produktionskosten und geringeren Investitionskosten für das Laser-WIG-Schweißverfahren.

Die Vorteile des Laser-WIG-Verfahrens liegen im kostengünstigen Hybridprozeß und in der besseren Spaltüberbrückbarkeit beim Fügeprozeß aufgrund der kelchförmigem Nahtgestalt. Bisher wurde das Laser-WIG-Verfahren zum Schweißen von Aluminumlegierungen und unbeschichteten Stählen in Forschungseinrichtungen entwickelt und untersucht. Aufgrund der widersprüchlichen Ergebnisse bezüglich der Durchführbarkeit eines derartigen Hybridprozesses (z. B. H. Cui: "Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Schweißlichtbogen und fokussiertem Laserstrahl und der Anwendungsmöglichkeiten kombinierter Laser-Lichtbogentechnik" Dissertation TU Braunschweig 1991, C. Maier, J. Beersiek, J. Neuenhahn, K. Behler, E. Beyer: "Kombiniertes Lichtbogen-Laserstrahl-Schweiß verfahren - Online-Prozeßüberwachung" DVS-Berichte Bd. 170 1995 S. 45-51, I. Decker, J. Wendelstorf, H. Wohlfahrt: "Laserstrahl-WIG-Schweißen von Aluminiumlegierungen" DVS-Berichte Bd. 170 1995 S. 96-99), insbesondere zum Fügen von Stählen, ist eine Umsetzung in die industrielle Produktion bislang nicht erfolgt. Die Entwicklung eines kontinuierlichen und reproduzierbaren Prozesses für beschichtete Stahlbleche wurde durch folgende Randbedingungen behindert: a) Für den Laser-WIG-Pro zeß wurden aufgrund der höheren technisch verfügbaren Leistung im continous-wave- Betrieb CO₂-Laser eingesetzt (max. Leistung bis 40 kW), 1998 war der erste Nd : YAG-Fest körperlaser mit 4 kW Laserstrahlleistung am Werkstück erhältlich. Abgesehen von der höheren Strahlqualität eines Festkörperlasers, besteht der wesentliche Unterschied der beiden Strahlerzeugerarten für den Laser-WIG-Prozeß in der Ausbildung einer Plasmazone über der Dampfkapillaren, die beim Festkörperlaser im Vergleich zum CO₂-Laser sehr klein ist. Bei einer größeren Ausdehnung des Plasmas kommt es beim Hybridprozeß zu Wechselwirkungen mit dem Lichtbogen und der Lichtbogen kann gelöscht werden, so daß ein kontinuierlicher Prozeß nicht reproduzierbar möglich ist. b) Bei metallisch beschichteten Blechen, z. B. verzinkten Stahlblechen, treten auf Grund der niedrigen Schmelz- und Verdampfungstemperatur der Beschichtung Poren in der Schweißverbindung auf, die bei ausreichender Anzahl und ungünstiger Verteilung die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit des Fügeprozesses können die Gasblasen nicht aus der Schmelze entweichen, werden durch die schnell fortschreitende Erstarrungsfront überholt und als Poren in der Schweißnaht "eingefroren". c) Der in organischen Beschichtungen enthaltene Kohlenstoff kann durch den thermischen Fügeprozeß in das Schweißbad gelangen und resultiert nach der Erstarrung aufgrund des erhöhten Kohlenstoffgehaltes im Schweißgut des Stahls in einer Aufhärtung der Naht, wodurch die für Taylored Blanks zwingend erforderliche Umformbarkeit eingeschränkt wird.

Die Erfindung ermöglicht ein Verfahren zum Fügen beschichteter Stahlbleche derart, daß ein sicherer und reproduzierbarer Schweißprozeß zum Fügen metallisch und organisch beschichteter Stahlbleche bei sehr guter Schweißnahtqualität in einem großen Parameterfenster möglich ist. Dazu sind folgende Randbedingungen zu erfüllen (Fig. 2-4): (ϕ_WIG = 30°-45° (9), l_V = 6 mm-10 mm (10), h_L = ± 4 mm (11), ζ_WIG = 75°-105° (12), l_B90° = 0,2 mm-3 mm (13), b_s = 0 mm-0,2 mm (14), ζ_L = 75°-105° (15), l_h 0,5 mm-2 mm (16), Lf_x = 0 mm-2 mm (17), Lf_y = ± 0,3 mm (18), Lf_z = ± 4 mm (19), γ = 30°-150° (20), d_D = 8 mm-30 mm (21), d_E = 1 mm-6,4 mm (22), d_s = 0,4 mm-5 mm (23), I_WIG = 50 A-350 A, P_Laser = 1 kW-4 kW, V_Gas = 20 l/min-80 l/min He, die wahre Lichtbogenlänge ergibt sich zu l_wahr = l_B90/cos ϕ_WIG.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der Anwendung des kostengünstigen Laser-WIG-Pro zesses auf beschichtete Stahlbleche und in der hohen Nahtqualität trotz der Beschichtungen der Bleche, die bei herkömmlichen Verfahren zu Ungänzen in der Schweißnaht führen können und die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindung herabsetzen können. Weitere Vorteile sind die Möglichkeiten, Stahlbleche mit gleichen oder unterschiedlichen metallischen (z. B. verzinkt), organischen (z. B. Bonazinc 3000™) oder anorganischen (z. B. phosphatiert, cyanokadmiert) Beschichtungen bei gleichen oder unterschiedlichen Stahlqualitäten (z. B. DC 05 an Z StE 340) und gleichen oder unterschiedlichen Blechdicken miteinander zu verschweißen.

Bezugszeichenliste

1

Laserstrahl

2

Lichtbogen

3

Dampfkapillare

4

Materialbewegung

5

Schmelze

6

Wolfamelektrode

7

WIG-Brenner

8

Optisches System

9

Elektrodenanstellwinkel

10

Elektrodenvorstehlänge

11

Laserabstand

12

seitlicher Elektrodenanstellwinkel

13

senkrechte Lichtbogenlänge

14

Spaltbreite

15

seitlicher Laseranstellwinkel

16

horizontaler Laserabstand

17

Abweichung des Laserfußpunktes vom mittleren Lichtbogenfußpunkt in x-Richtung

18

Abweichung des Laserfußpunktes vom mittleren Lichtbogenfußpunkt in y-Richtung

19

Abweichung des Laserfußpunktes vom mittleren Lichtbogenfußpunkt in z-Richtung

20

Elektrodenanspitzwinkel

21

Gasdüseninnendurchmesser

22

Elektrodendurchmesser

23

Blechdicke

24

Schweißgeschwindigkeitsvektor

Claims

1. Verfahren zum Schweißen mittels eines Nd : YAG-Laser-WIG-Prozesses von Stahlblechen mit Beschichtungen, wobei die zu fügenden Stahlbleche gleiche oder unterschiedliche Stahlqualitäten und gleiche oder unterschiedliche Blechdicken aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Parametern I_WIG = 50 A-350 A, P_Laser = 1 kW-4 kW, V_Gas = 20 l/min-80 l/min He unter den geometrischen Randbedingungen ϕ_WIG = 30°-45°, l_v = 6 mm-10 mm, h_L = Fokuslage = ± 4 mm, ζ_WIG = 75°-105°, l_B90° = 0,2 mm-3 mm, b_s = 0 mm-0,2 mm, ζ_L = 75°-105°, l_h = 0,5 mm-2 mm, L_fx = 0 mm-2 mm, L_fy ± 0,3 mm, L_fz = ± 4 mm, γ = 30°-150°, d_D = 8 mm-30 mm, d_E = 1 mm-6,4 mm, d_s = 0,4 mm-5 mm die Stahlbleche gefügt werden.

2. Schweißen mittels des Nd : YAG-Laser-WIG-Prozesses von Stahlblechen mit Beschichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbleche mit gleichartigen metallischen Beschichtungen versehen sind.

3. Schweißen mittels des Nd : YAG-Laser-WIG-Prozesses von Stahlblechen mit Beschichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbleche mit gleichartigen organischen Beschichtungen versehen sind.

4. Schweißen mittels des Nd : YAG-Laser-WIG-Prozesses von Stahlblechen mit Beschichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlbleche mit gleichartigen anorganischen Beschichtungen versehen sind.

5. Schweißen mittels des Nd : YAG-Laser-WIG-Prozesses von Stahlblechen mit Beschichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahlblech mit metallischer, organischer oder anorganischer Beschichtung mit einem unbeschichteten Stahlblech gefügt wird.

6. Schweißen mittels des Nd : YAG-Laser-WIG-Prozesses von Stahlblechen mit Beschichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisch beschichtetes Stahlblech mit einem anorganisch oder organisch beschichteten Stahlblech gefügt wird.

7. Schweißen mittels des Nd : YAG-Laser-WIG-Prozesses von Stahlblechen mit Beschichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein anorganisch beschichtetes Stahlblech mit einem organisch beschichteten Stahlblech gefügt wird.