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Title:
LASER BEAM WELDING METHOD FOR WELDING AT LEAST TWO WORKPIECES, AND LASER MACHINING SYSTEM FOR MACHINING AT LEAST TWO COATED WORKPIECES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/110585
Kind Code:
A1
Abstract:
The present disclosure relates to a laser beam welding method for welding at least two coated workpieces (1, 2), and to a laser machining system which is designed to carry out the method. The method comprises a step of guiding a laser beam (10) along a seam (3), wherein the energy input by the laser beam (10) is selected such that the coating is not or not completely evaporated at areas of the at least two workpieces (1, 2) that lie opposite one another.

Inventors:
KÖNIG, Lutz (Orsinistr. 8, Iffezheim, 76473, DE)
FRAAS, Christian (Draisstraße 1, Gaggenau, 76571, DE)
Application Number:
EP2018/083475
Publication Date:
June 13, 2019
Filing Date:
December 04, 2018
Export Citation:
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Assignee:
PRECITEC GMBH & CO. KG (Draisstraße 1, Gaggenau, 76571, DE)
International Classes:
B23K26/242; B23K26/03; B23K26/06; B23K26/082; B23K26/244; B23K26/322; B23K101/34
Domestic Patent References:
WO2017089126A12017-06-01
Foreign References:
EP0771605A21997-05-07
DE102014117157A12016-05-25
EP1005944B12004-09-01
Attorney, Agent or Firm:
TER MEER STEINMEISTER & PARTNER PATENTANWÄLTE MBB (Nymphenburger Straße 4, München, 80335, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei sich über lappenden Werkstücken (1, 2) mit einem Laserbearbeitungssystem (300), umfassend:

Richten eines Laserstrahls (10) auf eine Fügekante (3) zwischen den sich überlap- penden Werkstücken (1, 2) und Aufschmelzen von Material mindestens eines der Werk- stücke (1, 2) zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken (1, 2); und

Führen des Laserstrahls (10) entlang der Fügekante (3),

wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) zum Herstellen der Schweißverbindung so eingestellt wird, dass mindestens eine Oberfläche (la, 2b) von den einander gegenüberliegenden Oberflächen (la, 2b) der Werkstücke (1, 2) in einem an die Schweiß verbindung angrenzenden Überlappbereich (8), in dem sich die beiden Werkstücke (1, 2) überlappen, im Wesentlichen erhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Überlappbereich (8) keine Durchschweißung zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den Energieeintrag durch den Laserstrahl einzustellen, so dass Material (6), das an einer dem Laser strahl (10) zugewandten Oberfläche eines der Werkstücke (1, 2) ab geschmolzen ist, als Verbindungsmasse (7) vorgelagert zu einer Kontaktfläche der Werkstücke (1, 2) die Schweißverbindung herstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den Energieeintrag durch den Laserstrahl einzustellen, so dass die Schweißverbindung sowohl aus aufgeschmolzenem Material eines der beiden Werkstücke (1, 2) als auch aus einem in dem anderen der beiden Werkstücke (1, 2) gebildeten Schmelzbad hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) mit einer Beschichtung versehen ist und durch entspre- chende Einstellung des Energieeintrags die Beschichtung im Überlappbereich (8) erhalten bleibt.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) ein erstes Werkstück (1) mit einer ersten Oberseite (la) und einer ersten Unterseite (lb) und ein zweites Werkstück (2) mit einer zweiten Oberseite (2a) und einer zweiten Unterseite (2b) umfassen, wobei die zweite Unterseite (2b) einen Bereich der ersten Oberseite (la) überlappt, und wobei der Energieeintrag so eingestellt wird, dass in diesem Bereich die Oberfläche der zweiten Unterseite (2b) und/oder die Oberfläche der ersten Oberseite (la) durch den Energieeintrag im Wesentlichen erhalten bleibt. 7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Schweißverbin dung eine Kehlnaht, eine Kehlnaht am Überlapp, oder eine Überlappnaht ist.

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei beim Führen des La serstrahls (10) entlang der Fügekante (3) der Laserstrahl (10) in einer Scanbewegung (30) quer zu einer Bearbeitungsrichtung (20) oszilliert.

9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Energieeintrag durch Einstellen eines oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems (300) ausgewählt aus einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls (10), einem Versatz des Laserstrahls (10) zur Fügekante (3), einer Scanbreite des Laserstrahls (10), einer Scanfre- quenz des Laserstrahls (10), einer Laserleistungsverteilung und einer Modulation einer Laserleistung über eine Scanbreite eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein oder mehrere Betriebsparameter des Laser bearbeitungssystems (300) dynamisch während des Schweißens geändert werden.

11. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) beschichtete Werkstücke, verzinkte Werkstücke, oder verzinkte Bleche umfassen.

12. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Werkstücke (1, 2) beim Verschweißen im Nahtbereich unter einem spitzen Winkel (a), oder unter einem Winkel kleiner als 45° aufeinanderstoßend, oder aufeinanderliegend mit einem Winkel von ungefähr 0° angeordnet sind.

13. Laserstrahl-Schweißverfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die miteinander verschweißten Werkstücke (1, 2) einen spitzen Winkel oder einen Winkel kleiner 45° im Nahtbereich bilden oder im Nahtbereich mit einem Winkel von ungefähr 0° aufeinander liegen.

14. Laserbearbeitungssystem (300) zum Verschweißen von wenigstens zwei sich über- lappenden Werkstücken (1, 2), umfassend:

einen Bearbeitungskopf (301) zum Richten eines Laserstrahls (10) auf eine Füge- kante (3) zwischen den sich überlappenden Werkstücken (1, 2); und

eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl (10) auf die sich überlappenden Werkstücke (1, 2) so einzustellen, dass Material mindes- tens eines der Werkstücke (1, 2) zum Fierstellen einer Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken (1, 2) aufgeschmolzen wird, wobei mindestens eine Oberfläche (la, 2b) von den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke (1, 2) in einem an die Schweißverbindung angrenzenden Überlappbereich (8), in dem sich die beiden Werk- stücke (1, 2) überlappen, im Wesentlichen erhalten bleibt.

15. Laserbearbeitungssystem (300) nach Anspruch 14, wobei die Steuerung dazu einge- richtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszufahren.

Description:
Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung von wenigstens zwei beschichteten

Werkstücken

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserschweißsystem, zur Bearbeitung von wenigstens zwei Werkstücken. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Verschweißung zweier beschichteter Werkstücke, wie verzinkter Bleche.

Stand der Technik

Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laserschweißen, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austre- tende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bear- beitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungs- kopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird. Das Laserlicht tritt in einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf, durch eine Viel- zahl von optischen Elementen, wie z.B. Linsen, hindurch.

Bei der Herstellung einer Schweißverbindung beispielsweise von verzinkten Fügepartnem verdampft die Zinkschicht und führt zu Auswürfen und somit Fehlstellen in der Schweißnaht. Die so erzeugten Nähte erfüllen nicht die Anforderungen der gängigen Qualitätsan- sprüche und sind so vor allem im Automobilbereich nicht zu gebrauchen. Daher müssen bei dieser Art der Schweißung künstliche Entgasungsmöglichkeiten geschaffen werden. Diese wiederum sind aufwendig und mit Einschränkungen verbunden. Insbesondere bei einer Kehlnabt am Überlapp muss bei verzinkten Blechen eine Möglichkeit zur Zinkentga- sung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu meist unerwünschten Fehlstellen in der Naht.

Die EP 1 005 944 Bl beschreibt ein Laserstrahl- Schweißverfahren für Überlappnähte an beschichteten Blechen, wobei ein Ausgasungsraum für das im Schweißbereich verdampfende Beschichtungsmaterial vorgesehen ist.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbe- sondere ein Laserschweißsystem, zur Bearbeitung von wenigstens zwei Werkstücken be- reitzustellen, die weiche Übergänge von Schweißung zu Ursprungsmaterial ohne Kanten und Kerben gewährleisten und die Herstellung von stoffschlüssigen Schweißnähten, wie z.B. von Schweißnähten, insbesondere Kehlnähten am Überlapp, mit hervorragender An- mutung und Oberflächenqualität erlauben. Eine weitere Aufgabe ist, ein Laserstrahl- Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken und ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein Laserschweißsystem, zum Verschwei- ßen von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken bereitzustellen, die eine stoffschlüs- sige und porenffeie Verbindung der Werkstücke unabhängig von einem Anstellwinkel ermöglichen und bei denen keine Notwendigkeit einer ggfs künstlichen Entgasung besteht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem zum - vorzugsweise winkelunabhängigen - Verschweißen von wenigstens zwei überlap- penden Werkstücken angegeben. Ein winkelunabhängiges Verschweißen bezeichnet hier- bei, dass das Verschweißen an überlappenden Werkstücken durch geführt werden kann, die in einem beliebigen Winkel aufeinander stoßen. Das heißt, das Laserbearbeitungssystem kann insbesondere zum Verschweißen von Werkstücken eingerichtet sein, die in einem Winkel zwischen 0° und 90° aufeinander stoßen. Das Laserbearbeitungssystem umfasst einen Bearbeitungskopf zum Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieein- trag durch den Laserstrahl auf die überlappenden Werkstücke so einzustellen, dass gegen- über liegende Oberflächen der überlappenden Werkstücke im Wesentlichen erhalten blei- ben. Die gegenüber liegenden Oberflächen können auch als innen liegende Oberflächen der überlappenden Werkstücke bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann die Steuerung eingerichtet sein, den Energieeintrag so einzustellen, dass eine Oberfläche zumindest eines der Werkstücke in einem Überlappbereich mit dem anderen Werkstück im Wesentlichen erhalten oder unverletzt bleibt. Mit Überlappbereich oder eingeschlossenem Bereich kann ein Bereich bezeichnet werden, in dem sich die Oberflächen der beiden Werkstücke überlappen bzw. gegenüber liegen. Vorzugsweise bleiben Oberflächen in dem an die Fü gekante bzw. die Schweißnaht/- Verbindung angrenzenden Überlappbereich unverändert bzw. erhalten. Die Schweißverbindung kann sowohl aus abgeschmolzenem Material bzw. einem Schmelzbad eines ersten Werkstücks (Unterblech) als auch aus abgeschmolzenem Material eines zweiten Werkstücks (Oberblech), das das erste Werkstück überlappt, gebil det sein. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Werkstücke können erfin dungsgemäß im Überlappbereich, d.h. im eingeschlossenen Bereich, erhalten bleiben. Ins besondere können die gegenüber liegenden Oberflächen auf- bzw. aneinander liegende Oberflächenbereiche umfassen, an denen die Werkstücke unmittelbar miteinander in Kontakt stehen. Die Steuerung kann weiterhin eingerichtet sein, eine Position einer Fügekante, eines Über- lapps oder eines Nahtverlaufs sowie eine Topographie davon zwischen den Werkstücken zu bestimmen, beispielsweise basierend auf Daten eines optischen Systems, Kamerasys tems oder eines Kohärenztomographen. Somit kann die Steuerung der Positionsfindung (Tracking System), und/oder der Vermessung eines Spalts zwischen den Fügepartnem die- nen.

Hierbei soll vorzugsweise keine Durchschweißung zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke erfolgen. Beispielsweise kann der Energieeintrag so eingestellt sein, dass ein unteres Werkstück oder Unterblech durchgeschweißt wird, hingegen ein oberes Werkstück oder Oberblech nicht. Hierbei bezeichnet„oberes Werkstück“ das Werkstück der wenigstens zwei überlappenden Werkstücke, das das andere„untere Werkstück“ in Laserstrahl richtung verschattet, d.h. an einer Verschweißposition bzw. entlang des Nahtverlaufs bzw. entlang der Fügekante näher an einem Bearbeitungskopf oder einer Laseraustrittsöffnung liegt.

Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Energieeintrag durch den Laserstrahl so einzu stellen, dass das Material, das an einer dem Laserstrahl zugewandten Oberfläche eines der Werkstücke abgeschmolzen ist, als Verbindungsmasse vorgelagert zu einer Kontaktfläche der Werkstücke eine Schweißverbindung herstellt.

Zumindest eines der wenigstens zwei Werkstücke kann beschichtet sein, wobei der Ener- gieeintrag durch die Steuerung so eingestellt ist, dass beim Verschweißen eine Beschichtung an Bereichen der Werkstücke, die einander gegenüberliegen, erhalten bleibt.

Die wenigstens zwei Werkstücke können ein erstes Werkstück mit einer ersten Oberseite und einer ersten Unterseite und ein zweites Werkstück mit einer zweiten Oberseite und einer zweiten Unterseite umfassen. Die zweite Unterseite kann einen Bereich der ersten Oberseite überlappen. Die Oberfläche in diesem Bereich der zweiten Unterseite und/oder der ersten Oberseite kann durch den Energieeintrag beim Verschweißen im Wesentlichen erhalten bleiben.

Das Laserbearbeitungssystem kann dazu eingerichtet sein, beim Verschweißen eine Schweißnaht am Überlapp oder eine Kehlnaht auszubilden.

Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl durch Ablenkmittel quer zu einer Bearbeitungsrichtung in einer Scanbewegung zu oszillieren.

Die Steuerang kann dazu eingerichtet sein, den Energieeintrag durch Einstellen eines oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems ausgewählt aus einem Fokus- durchmesser des Laserstrahls, einem Versatz des Laserstrahls zu einer Fügeposition, einer Scanbreite des Laserstrahls, einer Scanfrequenz des Laserstrahls und einer Laserleistungsverteilung einzustellen. Insbesondere kann die Steuerung den Energieeintrag durch Modulation der Laserleistung über die Scanbreite einstellen. Weiterhin kann der Energieeintrag über eine optische Strahlformung eingestellt werden.

Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, den einen oder die mehreren Betriebsparameter dynamisch während des Schweißens zu ändern. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Nahtposition, Kantenposition oder einer Position des Überlapps der zwei Werkstücke erfolgen.

Des Weiteren wird ein Laserstrahl-Schweißverfahren zum - vorzugsweise winkelunabhän gigen - Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken angegeben. Das Schweiß verfahren umfasst die Schritte: Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwi- schen den überlappenden Werkstücken, und Führen des Laserstrahls entlang der Fügekante, wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl so gewählt ist, dass eine vom Laser strahl abgewandte Oberfläche zumindest eines der Werkstücke im Wesentlichen erhalten bleibt.

Die wenigstens zwei Werkstücke können beschichtete Werkstücke, verzinkte Werkstücke, oder verzinkte Bleche umfassen.

Die wenigstens zwei Werkstücke können vor Verschweißen im Nahtbereich unter einem Winkel a aufeinanderstoßend angeordnet werden. Der Winkel a kann ein spitzer Winkel oder kleiner als 45° sein.

Die wenigstens zwei Werkstücke können vor Verschweißen im Nahtbereich aufeinander- liegend mit einem Winkel von ungefähr 0° angeordnet werden.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserstrahl- Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken, beispielsweise ein Laserstrahl-Schweißverfahren für Schweißnähte am Überlapp an beschichteten Blechen, angegeben. Das Verfahren umfasst ein Führen eines Laserstrahls entlang einer Naht, wobei ein Energieeintrag durch den Laserstrahl so gewählt ist, dass die Beschichtung an Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke, die einander gegenüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird. Das Laserstrahl- Schweißverfahren kann zum winkelunabhän- gigen Verschweißen eingerichtet sein, und insbesondere zum Verschweißen von Werkstü- cken eingerichtet sein, die in einem Winkel zwischen 0° und 90° aufeinander stoßen. Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung erge- ben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Be schreibung.

Vorzugsweise erfolgt keine Durchschweißung der wenigstens zwei beschichteten Werk- stücke.

Vorzugsweise umfassen die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke ein erstes Werk- stück mit einer ersten Oberseite und einer ersten Unterseite und ein zweites Werkstück mit einer zweiten Oberseite und einer zweiten Unterseite. Die zweite Unterseite kann einen Bereich der ersten Oberseite überliegen. Die Beschichtung kann in diesem Bereich der zweiten Unterseite beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben. Insbesondere kann die Beschichtung in einem Bereich der ersten Oberseite, den die zweite Unterseite über- liegt, beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben.

Vorzugsweise werden die wenigstens zwei Werkstücke vor dem Verschweißen im Nahtbe- reich unter einem Winkel aufeinanderstoßend angeordnet. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein, und kann insbesondere größer als 10° sein. Beispielsweise kann der Winkel ein spitzer Winkel oder etwa 0° sein.

Vorzugsweise ist bzw. wird die Schweißnaht als Kehlnaht ausgebildet.

Vorzugsweise oszilliert der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zu einer Bearbeitungs richtung oder Vorschubrichtung.

Vorzugsweise umfasst das Laserstrahl- Schweißverfahren weiter ein Einstellen des Ener- gieeintrags durch den Laserstrahl durch Ändern einer oder mehrerer Betriebsparameter eines Laserbearbeitungssystems. Beispielsweise sind der eine oder die mehreren Betriebs parameter aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls, eines Versatzes des Laserstrahls zu einer Fügeposition, einer Scanbreite des Laserstrahls, einer Scanfrequenz des Laserstrahls und einer Laserleistungsverteilung besteht. Insbesondere kann eine Laserleistung über die Scanbreite variiert werden. Wenigstens ein Betriebs parameter des einen oder der mehreren Betriebsparameter kann vor dem Schweißen und/oder dynamisch während des Schweißens geändert werden.

Vorzugsweise sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke verzinkte Werkstücke, und insbesondere verzinkte Bleche, wie verzinkte Stahlbleche.

Vorzugsweise sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke für den Fahrzeugbau vorgesehen, und insbesondere für den Karosseriebau. Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbei- tungssystem zur Bearbeitung von wenigstens zwei beschichteten Werkstücken mit einer Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eines der hier aufgeführten Laserstrahl- Schweiß verfahren durchzuführen, angegeben. Das Laserbearbeitungssystem umfasst eine Laservorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl auf die wenigstens zwei Werkstücke so einzustellen, dass die Beschichtung an Bereichen der zwei Werkstücke, die einander ge- genüberliegen, nicht oder nicht vollständig verdampft wird.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserstrahl- Schweiß verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken mit einem Laserbearbeitungssystem angegeben, umfassend: Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken und Abschmelzen von Material eines der Werkstücke zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken; und Führen des Laserstrahls entlang der Fügekante, wobei ein Energieein trag durch den Laserstrahl zum Herstellen der Schweißverbindung so eingestellt wird, dass einander gegenüberliegende Oberflächen der Werkstücke oder mindestens eine Oberfläche von den einander gegenüberliegenden Oberflächen im Wesentlichen erhalten bleibt.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist Laserbearbeitungs system zum Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden Werkstücken angegeben, umfassend: einen Bearbeitungskopf zum Richten eines Laserstrahls auf eine Fügekante zwischen den überlappenden Werkstücken; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch den Laserstrahl auf die überlappenden Werkstücke so einzu- stellen, dass Material eines der Werkstücke zum Herstellen einer Schweißverbindung zwi- schen den beiden Werkstücken abgeschmolzen wird, wobei mindestens eine Oberfläche von den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke im Wesentlichen erhal- ten bleibt.

Vorzugsweise werden zwei Werkstücke verschweißt, z.B. ein Unterblech und ein Oberblech, das das Unterblech überlappt, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Ober- flächen der Werkstücke im Nahtbereich unversehrt bleiben.

Selbstverständlich können Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann die Steuerung des Laserbearbeitungssystems einge richtet sein, ein Verfahren gemäß einem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel durchzuführen.

Bei einer Kehlnaht an einem Überlapp zweier Werkstücke muss beispielsweise bei ver zinkten Blechen herkömmlicherweise eine Möglichkeit zur Zinkentgasung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu Fehlstellen in der Naht, die in den meisten Fällen uner- wünscht sind. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird durch gezielten Energieeintrag jeweils die Beschichtung an der Oberfläche verdampft. Eingeschlossene Beschichtungen bleiben unberührt und können so nicht zu Verbindungsfehlem führen. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entgasungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Fol- genden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Verschweißen zweier Werkstücke unter einem Winkel gemäß Ausführungs formen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 2 ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel gemäß Ausfuhrungs formen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 3 ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figuren 4a bis 4d ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel durch Einstellen ver- schiedener Parameter des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offen- barung, und

Figur 5 eine Modulation der Laserleistung in Abhängigkeit von der Scanposition gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Ausführungsformen der Offenbarung

Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele- mente gleiche Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt ein Verschweißen zweier Werkstücke 1, 2 unter einem Winkel gemäß Aus führungsformen der vorliegenden Offenbamng. Insbesondere ist ein Verschweißen eines ersten Werkstücks 1 und eines zweiten Werkstücks 2 gezeigt. Das erste Werkstück 1 kann ein Unterblech sein und das zweite Werkstück 2 kann ein Oberblech sein.

Das Laserstrahl-Schweißverfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken 1, 2 gemäß der vorliegenden Offenbamng umfasst ein Führen eines Laserstrahls 10 entlang einer Naht bzw. Fügekante 3, wobei ein Energieeintrag auf die wenigstes zwei Werkstücke 1, 2 durch den Laserstrahl 10 so gewählt ist, dass die Oberflächen an Bereichen der we nigstens zwei Werkstücke 1, 2, die einander (z.B. direkt) gegenüberliegen, nicht oder nur geringfügig verändert wird. Insbesondere wird bei Verschweißen beschichteter Werkstücke 1, 2 die Beschichtung an gegenüberliegenden Bereichen der Werkstücke 1, 2, d.h. in einem Überlappbereich 8, nicht oder nicht vollständig verdampft. Anders gesagt bleibt die Ober fläche bzw. Beschichtung in Bereichen der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2, die einander gegenüberliegen, im Wesentlichen erhalten.

Durch den gezielten Energieeintrag wird die Beschichtung an der freiliegenden Oberfläche verdampft, wobei eingeschlossene Beschichtungen im Wesentlichen unberührt bleiben und deren Verdampfen somit nicht zu Verbindungsfehlem führen kann. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entgasungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.

In der Figur 1 wird das erste Werkstück 1 mittels einer Schweißnaht, beispielsweise einer Überlappnaht, odereiner Kehlnaht am Überlapp, mit dem zweiten Werkstück 2 ver- schweißt. Dabei wird das zweite Werkstück 2 längs seiner Stirnseite verschweißt, während das erste Werkstück 1 längs seiner Oberfläche verschweißt wird. Zur Erzeugung der Laser strahl-Kehlnaht wird ein Laserstrahl 10 längs der Kehle geführt. Da die Werkstücke 1, 2 jeweils eine Beschichtung, wie beispielsweise eine Zinkbeschichtung aufweisen, ver- dampft diese an der Fügekante 3, wie es durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Durch das Schweißen wird eine Schmelze erzeugt, die erstarrt und die Werkstücke 1, 2 miteinander verbindet. Die erstarrte Schmelze 4 definiert einen Anbindequerschnitt 5 für die Werkstücke 1, 2.

Typischerweise erfolgt die Schweißverbindung vorgelagert zur eigentlichen Kontaktfläche der Werkstücke 1, 2. Das am zweiten Werkstück 2 (Oberblech) abgeschmolzene Material 6 folgt der Schwerkraft und dem beispielsweise durch eine Oszillationsbewegung des Laserstrahls 10 erzeugten Druck hin zum ersten Werkstück 1 (Unterblech) und dient als Verbindungsmasse 7 der stofflichen Verbindung. Die Menge an Verbindungsmasse definiert den Anbindequerschnitt 5. Wird mehr Material vom Oberblech abgeschmolzen, so erhöht sich der effektive Anbindequerschnitt 5 zu Lasten der Materialstärke des Oberblechs. Die Übergänge von Schweißung zu Ursprungsmaterial sind weich und fließend, es entstehen keine Kanten oder Kerben.

Gemäß Ausfiihrungsformen ist die Beschichtung der Werkstücke 1, 2 eine Zinkbeschich tung. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und andere Beschichtungen können verwendet werden. Insbesondere können Beschichtungen verwendet wer den, die bei herkömmlichen Laserschweißen zur Dampfdruckentstehung führt. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Beschichtung mit einem niedrigen Schmelzpunkt sein. Dabei ist unter einem niedrigen Schmelzpunkt ein Schmelzpunkt zu verstehen, der niedri ger liegt als der der Werkstücke, beispielsweise von Stahl. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke verzinkte Werkstücke, und insbesondere verzinkte Bleche. Beispielsweise sind die wenigs tens zwei beschichteten Werkstücke für den Fahrzeugbau vorgesehen, und insbesondere für den Karosseriebau. Insbesondere können die wenigstens zwei beschichteten Werkstü- cke tiefgezogene Blechteile sein, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Blechbauteil, insbesondere zu einem Karosseriebauteil, zusammengefügt werden können.

Die wenigstens zwei beschichteten Werkstücke 1, 2 können das erste Werkstück 1 mit ei- ner ersten Oberseite la und einer ersten Unterseite lb und das zweite Werkstück 2 mit ei- ner zweiten Oberseite 2a und einer zweiten Unterseite 2b umfassen. Die zweite Unterseite 2b kann einen Bereich der ersten Oberseite la überliegen oder überdecken, wodurch ein eingeschlossener Bereich zwischen der zweiten Unterseite 2b und der ersten Oberseite la gebildet wird. Die Beschichtung kann in diesem Bereich der zweiten Unterseite 2b und/oder der ersten Oberseite la beim Schweißen im Wesentlichen erhalten bleiben. Insbe- sondere kann die Beschichtung der Werkstücke 1, 2 zwischen der zweiten Unterseite 2b und der ersten Oberseite la eingeschlossen sein und durch den Schweißvorgang im We sentlichen unberührt bleiben. Anders gesagt kann die Beschichtung in einem Bereich der ersten Oberseite la, den die zweite Unterseite 2b überliegt oder überdeckt, beim Schwei - ßen im Wesentlichen erhalten bleiben.

In einigen Ausführungsformen erfolgt kein Durchschweißen der wenigstens zwei beschichteten Werkstücke im Überlappbereich 8. Beispielsweise wird nicht durch das zweite Werkstück 2, das ein Oberblech sein kann, durchgeschmolzen, so dass die Oberfläche bzw. die Beschichtung, wie beispielsweise eine Zinkschicht, an der Unterseite 2b des Oberblechs nicht oder nur minimal verdampft oder verletzt wird. Auch die Oberfläche bzw. die Beschichtung an der innenliegenden bzw. überlappten Oberseite la des Unter blechs 1 kann unversehrt bleiben. Dadurch wird im Überlappbereich 8 die Beschichtung nicht verdampft. Es liegt an dieser Stelle somit kein Verdampfüngsdruck vor, der beim Entweichen des Gases aus der Schmelze zu Schweißfehlem wie z. B. Auswürfen, Schmauchspuren und Poren führen kann. Beschichtungsdampf, der an den Oberseiten la und 2a entsteht, die nicht im Überlappbereich 8 liegen, kann nach oben entweichen und führt so ebenfalls nicht zu den genannten Schweißfehlem.

Gemäß Ausführungsformen können die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 vor Verschweißen im Nahtbereich, also an der Fügekante 3, unter einem Winkel a aufeinanderstoßend angeordnet werden. Der Winkel a kann zwischen der ersten Oberseite la des ersten Werk stücks 1 und der zweiten Unterseite 2b des zweiten Werkstücks 2 definiert sein. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein hn Beispiel der Figur 1 ist der Winkel a ein spitzer Winkel, der größer als 0°, und insbesondere größer als 10° ist. Der Winkel a, in dem die Werkstücke 1, 2 zueinanderstehen, kann geeignet gewählt werden. So ist eine Verschwei- ßung bei größeren Winkeln (>10°) zwar dem Fluss der Schmelze zuträglich, aber auch Schweißungen bei kleineren Winkeln, bis herunter zu a=0° (Bleche liegen spaltfrei aufei- nander), sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.

Figur 2 zeigt ein Verschweißen zweier Werkstücke ohne Winkel gemäß Ausführungsfor- men der vorliegenden Offenbarung. Die bezüglich der Figur 1 gegebene Beschreibung gilt analog für die in der Figur 2 gezeigte Ausführungsform und wird nicht wiederholt.

Gemäß Ausfuhrungsformen können die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 vor Verschwei ßen im Nahtbereich bzw. im Bereich der Fügekante 3 unter einem Winkel a aufeinander- stoßend angeordnet werden. Der Winkel a kann zwischen der ersten Oberseite la des ers ten Werkstücks 1 und der zweiten Unterseite 2b des zweiten Werkstücks 2 definiert sein. Der Winkel kann im Bereich von 0 bis 45° sein. Im Beispiel der Figur 2 ist der Winkel a in etwa 0° (Bleche liegen im Wesentlichen spaltfrei aufeinander).

In manchen Ausführungsformen kann der Laserstrahl 10 im Wesentlichen senkrecht zu einer Bearbeitungsrichtung bzw. Vorschubrichtung mit einer Scanfrequenz und einer Scanbreite oszillieren. In Figuren 1 und 2 ist die Scanbewegung mit dem Bezugszeichen 30 angedeutet. Der oszillierende Laserstrahl 10 kann vom Unterblech zum Oberblech und wieder zurück über die Scanbreite wechseln, nämlich lateral zur Bearbeitungsrichtung bzw. Vorschubrichtung. Dadurch werden beide Werkstücke (z.B. Bleche) angeschmolzen und die Beschichtung, wie beispielsweise Zink, an der Bauteiloberfläche verdampft. In Figuren 1 und 2 ist ein Versatz bzw. Offset des Zentrums der Scanbewegung 30 von der Fügekante 3 nach links bzw. zum Unterblech 1 hin gezeigt. Dies ist jedoch nicht ein- schränkend zu verstehen, es kann auch kein Versatz oder ein Versatz nach rechts bzw. zum Oberblech 2 hin eingestellt sein. In Figuren 1 und 2 kann beispielsweise eine Laserleistung im Überlappbereich 8 der Werkstücke 1, 2 reduziert sein, um ein Durchschweißen des Oberblechs 2 zu vermeiden. In einem Schweißbereich außerhalb des Überlappbereichs 8, d.h. links von der Fügekante 3, kann die Laserleistung beispielsweise höher sein als im Überlappbereich 8.

Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kom- biniert werden können, umfasst das Verfahren weiter ein Einstellen des Energieeintrags durch den Laserstrahl 10 durch Andern einer oder mehrerer Betriebsparameter eines La serbearbeitungssystems. Ein beispielhaftes Laserbearbeitungssystem ist in der Figur 3 dar gestellt. Der eine oder die mehreren Betriebsparameter können aus der Gruppe ausgewählt sein, die einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls, einen Versatz des Laserstrahls zu einer Fügeposition, eine Scanbreite des Laserstrahls, eine Scanfrequenz des Laserstrahls und eine Laserleistungsverteilung umfasst. Typischerweise werden der eine oder die mehreren Betriebsparameter vor dem Schweißen eingestellt und/oder dynamisch während des Schweißens geändert. Beispielsweise kann die Scanbreite oder Scanamplitude je nach Voreinstellung oder Regelung, z.B. bei entstehendem Spalt, während des Prozesses variiert werden. In Figuren 4a bis 4d sind Beispiele für das Einstellen des Energieeintrags basie- rend auf verschiedenen Parametern des Laserstrahls dargestellt. Der Energieeintrag kann dabei beispielsweise auch von einer Spaltbreite zwischen den Werkstücken abhängen. In Figur 4a ist der Laserstrahl 10 auf die Fügekante 3 zweier überlappender Werkstücke, die vorzugsweise spaltfrei aufeinander liegen, gerichtet und wird in einer oszillierenden Scan- bewegung entlang des Nahtverlaufs bzw. entlang der Fügekante 3 geführt. Die Werkstücke 1 , 2 können auch mit Spalt oder in einem Winkel größer Null zu einander angeordnet sein. In Figur 4b ist ein Offset bzw. ein Versatz der Mitte der Scanbewegung hinsichtlich der vertikalen Fügekante 3 gezeigt, in diesem Beispiel nach links hin zum Oberblech 2. In Figur 4c ist eine Scanbreite, d.h. eine Amplitude der Scanbewegung senkrecht zur Vorschub richtung bzw. Bearbeitungsrichtung 20 vergrößert. In Figur 4d erfolgt eine Einstellung des Energieeintrags durch Modulation der Laserleistung über die Scanbreite (siehe auch Figur 5). Obwohl in Figuren 4b, 4c und 4d ein Spalt zwischen den Werkstücken 1, 2 gezeigt ist, ist dies nicht einschränkend und die Werkstücke 1, 2 können auch spaltfrei oder in einem Winkel größer Null zu einander angeordnet sein.

Um Durchschweißungen zu vermeiden, aber dennoch hohe Einschweißtiefen erreichen zu können, erfolgt der Energieeintrag durch die Laserleistung ganz gezielt. Der gezielte Ener- gieeintrag wird beispielsweise durch die Regelung der Laserleistung über die Scanbreite erreicht. Insbesondere kann die Laserleistung abhängig von der Scanposition eingestellt werden. In Figur 5 ist schematisch eine solche Modulation der Laserleistung basierend auf der Scanposition dargestellt: der sinusartige Kurvenverlauf stellt die Scanbewegung 30 und somit die Laserposition in Vorschubrichtung bzw. Bearbeitungsrichtung 20 dar, der drei- eckige Kurvenverlauf die Laserleistung in % der Maximalleistung. In diesem Beispiel os zilliert die Scanbewegung 30 um die Fügekante 3, die im Graphen als horizontale Linie dargestellt ist. Beispielsweise beträgt die Laserleistung auf der Fügekante 3 ca. 50% und an den äußersten Positionen der Scanbewegung ca. 90%. Die Zahlenangaben sind lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Die Parameter für den Prozess können, wie bereits erwähnt, den Fokusdurchmesser, den Versatz bzw. Offset zur Fügekante 3 bzw. Fügeposition, die Scanbreite, die Scanfrequenz und die Laserleistungsverteilung über die Scanbreite, wie oben zu Figur 4 beschrieben, sein. Einer oder mehrere der Parameter können dynamisch im Verlauf der Schweißung den Spalt- und Winkelverhältnissen angepasst werden, um die Schonung der innenliegenden Oberfläche bzw. der innenliegenden Be- schichtung zu erreichen. Im Ergebnis wird eine Naht mit hervorragender Anmutung und Oberflächenqualität bereitgestellt.

Basierend auf vorgegebenen Festigkeitsanforderungen können die hier beschriebenen Aus- fuhrungsformen beispielsweise im Bereich der Schweißung von Automobiltüren eingesetzt werden, wo typischerweise verzinkte Bauteile zum Einsatz kommen. Andere Komponen- ten am Fahrzeug wie Klappen oder Strukturbauteile können ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt werden. Figur 3 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 300 gemäß Ausfuhrungsformen der vorliegen- den Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem 300 kann einen Bearbeitungskopf 301 umfassen oder ein Bearbeitungskopf sein, und insbesondere zum Laserschweißen einge- richtet sein. Das Laserbearbeitungssystem 300 ist eingerichtet, hier beschriebene Verfahren zum Verschweißen wenigstens zweier Werkstücke 1, 2 durchzuführen.

Das Laserbearbeitungssystem 300 umfasst eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen Energieeintrag durch einen Laserstrahl 10 auf die wenigstens zwei Werkstücke so einzu- stellen, dass die Oberflächen an Bereichen der zwei Werkstücke, die einander gegenüber- liegen, im Wesentlichen unverändert bleiben. Insbesondere kann die Steuerung den Ener- gieeintrag beim Schweißen zweier beschichteter Werkstücke so einstellen, dass die Be- schichtung an einander gegenüberliegenden Werkstücksoberflächen nicht oder nicht voll- ständig verdampft wird. Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um das Laser- strahl- Schweiß verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei Werkstücken gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Die Steuerung kann ferner dazu ein- gerichtet sein, den Laserstrahl 10 mittels Ablenkmittel (nicht gezeigt) quer zur Bearbei- tungsrichtung 20 zu oszillieren. Hierbei kann die Scanbewegung 30 im Wesentlichen senkrecht zur Bearbeitungsrichtung 20 sein, und einer geraden Linie oder einer Scanfigur fol- gen, z.B. eine„8“ oder einen Kreis ausfuhren. Beispiele für Ablenkmittel sind Spiegel oder andere Scanvomchtungen, die durch die Steuerung gesteuert werden.

Das Laserbearbeitungssystem 300 kann eine Laservorrichtung 310 zum Erzeugen eines Laserstrahls 10 (auch als„Bearbeitungsstrahl“ oder„Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) umfassen oder mit einer solchen gekoppelt sein. Optional kann das Laserbearbeitungssystem 300 einen optischen Kohärenztomographen 340 oder ein anderes optisches System, wie beispielsweise ein Kamera-basiertes System, zur Abstandsmessung und/oder Positi onserfassung umfassen. Das Laserbearbeitungssystem 300 ist eingerichtet, um den Laser- strahl 10 auf einen Bearbeitungsbereich der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 zu lenken. Hierfür kann das Laserbearbeitungssystem 300 eine Kollimatorlinse 320 zur Kollimation des Laserstrahl 10 und eine Fokussier-Optik 330 zur Fokussierung des Laserstrahls 10 auf die wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 aufweisen.

Das Laserbearbeitungssystem 300 oder Teile davon, wie beispielsweise der Schweißkopf 301, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Schweißrichtung und/oder eine Bewegungs- richtung des Laserbearbeitungssystems 300, wie beispielsweise des Schweißkopfes 301, bezüglich der wenigstens zwei Werkstücke 1, 2 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungs richtung 20 eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann auch als „Vorschubrichtung“ bezeichnet werden. Gemäß Ausführungsformen kann der optische Kohärenztomograph 340 eingerichtet sein, um mittels eines optischen Messstrahls 13 einen Abstand zu den Werkstücken zu messen. Insbesondere kann der optische Kohärenztomograph 340 eingerichtet sein, um eine Ab- Standsänderung zu messen, während sich der Schweißkopf 301 entlang der Bearbeitungs- richtung 20 bewegt. Hierdurch kann der oszillierende Laserstrahl 10 der Fügekante zwi- schen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück folgen. Insbesondere kann eine Fehlerdetektion und/oder eine Regelung einer oder mehrerer Betriebsparameter des Laserbearbeitungssystems erfolgen. Selbstverständlich können auch andere optische Systeme hierzu eingesetzt werden, wie beispielsweise Kamera-basierte Systeme.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch gezielten Energieeintrag eine stoff- schlüssige und porenfreie Verbindung von mindestens zwei Werkstücken unabhängig von einem Anstellwinkel zwischen den Werkstücken und mit hervorragender Anmut der Naht- Oberfläche bereitgestellt werden. Bei einer Kehlnaht an einem Überlapp zweier Werkstü cke muss beispielsweise bei verzinkten Blechen herkömmlicherweise eine Möglichkeit zur Zinkentgasung geschaffen werden. Ohne diese kommt es zu Fehlstellen in der Naht, die in den meisten Fällen unerwünscht sind. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch gezielten Energieeintrag bei einer Kehlnaht eine Verbindung mit Nullspaltverhältnis am Überlapp hergestellt werden. Durch Regelung des Energieeintrags kann bei beschichteten Fügepartnem jeweils nur die dem Laserstrahl ausgesetzte Beschichtung an der Oberfläche verdampft werden. Eingeschlossene Beschichtungen bleiben hingegen unberührt und kön- nen so nicht zu Verbindungsfehlem fuhren. Die Notwendigkeit einer künstlichen Entga- sungsmöglichkeit entfällt hierdurch vollständig.