Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 .

Ein derartiges Verfahren ist aus der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 201 6 206 012.0 bekannt. In dieser älteren, nicht vorveröffentlichten deutsche Patentanmeldung wird das Verschweißen zweier Fahrzeugkarosseriebauteile mittels eines gepulsten Laserstrahls beschrieben.

Das Verschweißen von Blechbauteilen mittels eines Laserstrahls ist bereits seit langem bekannt. Dabei wird ein Laserstrahl üblicherweise mit einer kontinuierlichen Vorschubbewegung relativ zu den beiden miteinander zu verschweißenden Bauteilen verfahren, was zum Aufschmelzen und Verschmelzen der Materialen der beiden Bauteile führt. Der Laserstrahl„zieht" aufgrund seiner Vorschubbewegung eine „Schmelzschleppe" von mehreren Millimetern (z. B. 10mm) hinter sich her, d. h. in einem Bereich von mehreren Millimetern hinter der aktuellen Position des Laserstrahls ist das Material noch flüssig.

Besonders problematisch ist das Verschweißen verzinkter Stahlbleche. Die Zinkschicht verdampft nämlich bereits bei circa 960° Celsius und entweicht dann dampfförmig in die Umgebung bzw. lagert sich in das darunter befindliche aufgeschmolzene Metallmaterial ein, was zur Porositäten führen kann. Bei aneinander anliegenden, zu verschweißenden Blechen kann verdampfendes Zink aus dem Anlagebereich der Bleche heraus nicht ohne weiteres in die Umgebung entweichen, was zur Einlagerung größerer Zinkmengen in dem aufgeschmolzenen Metall und in der Folge zu unerwünscht starken Porositäten, Löchern bzw. ggf. zu Auswürfen und Spritzern führen kann.

Laserstrahlschweißen kam daher bislang aus Qualitätsgründen nur in „trockenen Bereichen" zum Einsatz aber nicht bei Bauteilen bzw. in Bauteilbereichen, die in hohem Maße Feuchtigkeit bzw. Spritzwasser ausgesetzt sind, da hier das Korrosionsrisiko bislang als zu hoch angesehen wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laserschweißverfahren anzugeben, das zu qualitativ hochwertigen Schweißverbindungen führt und das auch für einen Einsatz im Fahrzeugkarosseriebau geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verschweißen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils. Die bereitgestellten Bauteile werden zunächst aneinandergesetzt und anschließend mittels eines Laserstrahls miteinander verschweißt. Das Verschweißen erfolgt gepulst, d. h. der Laserstrahl wird wiederholt ein- und ausgeschaltet, wodurch eine Vielzahl von Schweißimpulsen erzeugt werden. Die einzelnen Schweißimpulse sind jeweils durch schweißfreie Pausenintervalle, in denen der Laserstrahl ausgeschaltet ist, unterbrochen.

Gemäß der Erfindung wird durch jeden Schweißimpuls ein lokales Schweißareal erzeugt, in dem Material der beiden Bauteile lokal begrenzt aufgeschmolzen und verschmolzen wird. Unter dem Begriff „Schwei ßareal" ist ein relativ kleiner, z.B. „punktförmiger" oder kreisflächenartiger Bereich zu verstehen, wobei selbstverständlich auch andere Geometrien denkbar sind. Ein solches Schweißareal kann größenordnungsmäßig z.B. in einem (Durchmesser-)bereich zwischen wenigen Mikrometern und wenigen Millimetern liegen (z.B. bis zu 3 oder 4 oder 5 mm).

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass sich einzelne der durch die Schweißimpulse erzeugten Schweißareale überlappen. Auf diese Weise kann aus einer Vielzahl sich überlappender Schweißareale eine zusammenhängende Schweißnaht aufgebaut werden.

Im Unterschied zu herkömmlichen Laserschweißverfahren, bei denen der Laserstrahl mit einer gewissen Vorschubgeschwindigkeit relativ zu den zu verschweißenden Bauteilen bewegt wird, kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass der Laserstrahl während der einzelnen Schweißimpulse relativ zu den beiden Bauteilen unbewegt bleibt. Ein aktuell erzeugtes Schweißareal kann während des Schweißimpulses permanent, insbesondere permanent vollständig bzw. vollflächig, mit Laserlicht bestrahlt werden. Wenn während des Schweißens keine Relativbewegung des Laserstrahls in Bezug auf die Bauteile stattfindet, kommt es im Unterschied zum Stand der Technik auch nicht zu einem Nachziehen einer Schweißschleppe.

Aufgrund des gepulsten Energieeintrags erfolgt das Aufschmelzen des Materials der miteinander zu verschweißenden Bauteile extrem fokusiert und lokal äußerst begrenzt. Das Material wird also im Wesentlichen nur in dem aktuell vom Laserstrahl aufgeschmolzenen Bereich signifikant erwärmt. Bereits im Abstand von einigen wenigen Millimetern von dem aktuellen Schweißareal kommt es kaum zu einer Temperaturerhöhung. Dies hat den Vorteil, dass Bauteile, bei denen sich temperatursensitive Komponenten, wie z. B. ein Kunststoffbauteil oder eine Kleberschicht o. ä. relativ nahe an dem aktuell erzeugten Schweißareal befinden, dennoch problemlos miteinander verschweißt werden können.

Wie bereits erwähnt, kann vorgesehen sein, dass einzelne der durch die Schweißimpulse erzeugten Schweißareale sich zu einer zusammenhängenden, fluiddichten Schweißnaht überlappen. Gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl so positioniert wird, dass sich ein aktuell erzeugtes Schweißareal mit einem bereits erzeugten bzw. geschweißten Schweißareal schuppenartig oder nahtartig überlappt.

Vorzugsweise wird ein aktuell erzeugtes, sich mit einem bereits erzeugten Schweißareal überlappendes Schweißareal erst dann erzeugt bzw. aufgeschmolzen, wenn das bereits erzeugte Schweißareal, das von dem zu erzeugenden Schweißareal teilweise überlappt werden soll, bereits wieder erstarrt oder weitgehend erstarrt ist.

Es kann vorgesehen sein, dass Schweißareale sequentiell nacheinander erzeugt werden und zwar in einer Reihenfolge, sodass sich die unmittelbar nacheinander erzeugten Schweißareale schuppenartig überlappen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass ein aktuell erzeugtes Schweißareal sich mit einem Schweißareal überlappt, das unmittelbar vor dem letzten Pausenintervall erzeugt wurde. Bei diesem Verfahren werden also Schweißareale ähnlich wie einer Perlenkette sequenziell nacheinander erzeugt.

Alternativ dazu ist es auch möglich, dass ein aktuell erzeugtes Schweißareal einen Abstand von einem Schweißareal hat, das unmittelbar vor dem letzten Pausenintervall erzeugt wurde. Das aktuell erzeugte Schweißareal ist somit überlappungsfrei in Bezug auf das unmittelbar vor dem letzten Pausenintervall erzeugte Schweißareal. Dadurch kann der lokale Wärmeeintrag bzw. der lokale Temperaturanstieg in den miteinander zu verschweißenden Bauteilen noch weiter minimiert werden. Dennoch kann auch auf diese Weise eine zusammenhängende fluiddichte Schweißnaht erzeugt werden, im Unterschied zu dem oben beschriebenen Verfahren werden die einzelnen Schweißareale der Schweißnaht nicht eines an das vorgehende gesetzt, sondern in einer anderen Reihenfolge. Die Impulsdauern der Vielzahl von Schweißimpulsen können z. B. in einem Bereich zwischen 0,1 ms und 100ms liegen, oder in einem Bereich zwischen 0,1 ms und 50ms bzw. in einem Bereich zwischen 0,1 ms und 20ms. Vorzugsweise liegen die Impulsdauern der Vielzahl von Schweißimpulsen in einem Bereich zwischen 1 ,0ms und 20ms bzw. 1 ,0 ms und 10 ms. Mit derartigen Impulsdauern ist bei vergleichsweise geringem Gesamtwärmeeintrag in das Bauteil ein sehr lokales Aufschmelzen möglich.

Die Impulsdauern der Vielzahl von Schweißimpulsen können jeweils gleich lang sein. Dies muss aber nicht so sein. Die Impulsdauern der Vielzahl von Schweißimpulsen können auch unterschiedlich lang sein. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, in Bereichen, in denen die miteinander zu verschweißenden Bauteile eine größere Bauteildicke aufweisen, mit einer längeren Schweißimpulsdauer zu arbeiten als in Bauteilbereichen, in denen die Bauteildicken geringer sind.

Die Leistungsdichte des für die Erfindung verwendeten Laserstrahls kann beispielsweise im Bereich zwischen 10 ⁴ Watt/cm ² und 10 ¹⁰ Watt/cm ² liegen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Leistungsdichte der Vielzahl von Schweißimpulsen gleich oder unterschiedlich groß ist. Analog zur Länge der Impulsdauern kann beispielsweise vorgesehen sein, dass„Schweißpunkte" in Bereichen, in denen die miteinander zu verschweißenden Bauteile eine größere Bauteildicke aufweisen, größer ist, als in anderen Bereichen.

Ferner kann vorgesehen sein, dass während eines Schweißimpulses die Leistungsdichte des Schweißimpulses verändert wird, z.B. durch

• Änderung der Laserleistung bei konstant gehaltenem Strahlquerschnitt oder

• Änderung der Strahlquerschnitts bei konstant gehaltener Laserleistung oder

• Änderung der Laserleistung und des Strahlquerschnitts. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Laserstrahl verwendet, der einen Strahldurchmesser oder eine Strahlbreite aufweist, die im Bereich zwischen 40μηι und 4mm liegt. Auch bei diesem Parameter kann vorgesehen sein, dass der Strahldurchmesser oder die Strahlbreite des Laserstrahls bei der Vielzahl von Schweißimpulsen gleich oder unterschiedlich ist. Je nach Anwendung kann es erwünscht sein, eine Schweißnaht zu erzeugen, die über ihre gesamte Länge eine im Wesentlichen gleiche Schweißnahtbreite oder eine unterschiedliche Schweißnahtbreite aufweist, was durch Variieren des Strahldurchmessers bzw. der Strahlbreite des Laserstrahls eingestellt werden kann.

Hinsichtlich des Querschnitts des Laserstrahls kann z. B. mit einem Laserstrahl gearbeitet werden, der einen kreisförmigen Strahlquerschnitt aufweist. Dies muss aber nicht zwingend der Fall sein. Prinzipiell denkbar sind auch andere Querschnittsformen, wie z. B. ein Laserstrahl mit einem rechteckigen oder ovalen Strahlquerschnitt.

Versuche haben ergeben, dass sich qualitativ sehr gute Schweißverbindungen erzielen lassen, wenn mit einer„Repetitionsrate" gearbeitet wird, die in einem Bereich zwischen 200Hz und 10kHz liegt. Unter der„Repetitionsrate" wird die Anzahl der Schweißimpulse pro Sekunde verstanden. Wenn beispielsweise mit Schweißimpulsen der Länge 5ms und einem Pausenintervall von 15ms gearbeitet wird, ergibt dies eine Periodendauer T von 20ms was einer Repetitionsrate von 1 /0,02s bzw. 50Hz entspricht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Metallbauteile, insbesondere Metallblechbauteile, wie sie z.B. im Fahrzeugkarosseriebau zum Einsatz kommen, miteinander verschweißt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht auf Metallbauteile beschränkt, sondern es kann prinzipiell auch zum Verschweißen von Kunststoffbauteilen, insbesondere von Bauteilen aus thermoplastischem Kunststoff eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch gut zum Verschweißen von Bauteilen geeignet, bei denen mindestens eines der Bauteile teilweise oder vollständig mit einer Beschichtung überzogen ist, wie dies beispielsweise bei verzinkten Stahlblechen der Fall ist. Vorzugsweise wird hierfür ein Bauteil mit einer Beschichtung verwendet, deren Schmelz- oder Verdampfungstemperatur niedriger als die Schmelz- oder Verdampfungstemperatur des Bauteilmaterials ist, auf das die Beschichtung aufgebracht ist. Dies ist beispielsweise bei verzinkten Stahlblechen der Fall, bei denen die Zinkschicht bereits bei Temperaturen von circa 960° Celsius verdampft.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zum Verschweißen herkömmlicher Stahl- oder Aluminiumbleche, sondern insbesondere auch zum Verschweißen von Edelstahlblechbauteilen geeignet. Alternativ dazu kann das erfindungsgemäße Verfahren auch eingesetzt werden, um ein Stahl- oder Aluminiumbauteil mit einem Gussbauteil zu verschweißen. Beispielsweise kann eine Stahl- oder Aluminiumbuchse oder ein Stahl- oder Aluminiumbolzen an ein Gussbauteil angeschweißt oder in eine Ausnehmung eines Gussbauteils mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingeschweißt werden. Wen in der Beschreibung von „Aluminium" die Rede ist, sind davon auch „Aluminiumlegierungen" umfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch hervorragend geeignet, um Kugeln, insbesondere Stahl- oder Aluminiumkugeln, oder Kugel aus einem anderen Werkstoff (z.B. aus einem thermoplastischen Kunststoff) oder andere Elemente (z.B. T-Bolzen, andersartige Bolzen o.ä.) auf Bauteile aufzuschweißen. Durch die Vielzahl von Schweißarealen kann in einem Aufstandsbereich der Kugel auf einem Bauteil eine sich um die Kugel herum erstreckende Schweißnaht erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Verschweißen von Bauteilen geeignet, deren Dicke im Schweißbereich zwischen 0,3mm und 5mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,3mm und 3mm liegt.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Verschweißen zweier Blechbauteile in schematischer

Darstellung;

Figur 2 das Aufschweißen einer Kugel auf ein Blechbauteil;

Figur 3 das sequentielle Erzeugen einer Schweißnaht aus einer Vielzahl von Schweißarealen;

Figur 4 ein Diagramm, welches die Laserleistung über der Zeit beschreibt und

Fig. 5 - 9 Ausführungsbeispiele mit anderen Nahtformen.

Figur 1 zeigt zwei aneinander anliegende Bleche 1 , 2, wobei die Dicke des Blechs 1 si und die Dicke des Blechs 2 S2 beträgt, si bzw. S2 können z. B. im Bereich zwischen 0,3mm und 3mm liegen. Im Randbereich des Blechs 1 wurden die beiden Bleche 1 , 2 hier bereits durch eine Kehlnaht 3 miteinander verschweißt. Ein vorheriges Verschweißen durch die Kehlnaht 3 ist aber nicht unbedingt erforderlich.

Mittels einer Laserschweißeinrichtung 4, welche einen Laserstrahl 5 erzeugt, werden die beiden Bleche 1 , 2 zusätzlich durch eine Stumpfnaht 6 miteinander verschweißt. Die Laserschweißeinrichtung 4 wird dabei gepulst betrieben, d. h. durch periodisches Ein- und Ausschalten des Laserstrahls 5 werden nacheinander eine Vielzahl von Schweißimpulsen erzeugt, die jeweils durch schweißfreie Pausenintervalle unterbrochen sind.

Durch derartiges gepulstes Schweißen, kann auch eine Kugel 7 auf ein Bauteil 1 aufgeschweißt werden. Die Kugel 7 kann durch eine Vielzahl von Schweißpunkten mit dem Bauteil 1 verbunden werden. Ganz analog wie oben wird dabei die Laserschweißeinrichtung gepulst betrieben. Die Laserschweißeinrichtung kann dabei um den Aufstandsbereich der Kugel 7 herumgeführt werden. Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl einander überlappender Schweißpunkte bzw. Schweißareale erzeugen, wodurch sich eine qualitativ sehr hochwertige„umlaufende" Schweißnaht 8 erzeugen lässt.

Figur 3 zeigt zwei aufeinanderliegende Bleche 1 , 2, die durch eine gerade im Entstehen befindliche Schweißnaht 10 miteinander verbunden werden. Die Schweißnaht 10 wird dabei durch einzelne sich schuppenartig überlappende Schweißareale sequentiell aufgebaut. Um den von dem Laserstrahl 5 erzeugten Wärmeeintrag in die Bleche 1 , 2 soweit wie möglich lokal zu begrenzen, kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Schweißarme nicht alle nebeneinander bzw. aufeinander folgend erzeugt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Schweißareale in der durch die Bezugszeichen 1 1 - 22 angegebenen Reihenfolge nacheinander erzeugt werden. Nach dem Erzeugen des Schweißareals 1 1 kann dieses abkühlen. Das im Anschluss an das Schweißareal 1 1 erzeugte Schweißareal 12 weist einen hinreichend großen Abstand von dem Schweißareal 1 1 auf, so dass der Wärmeeintrag in das Schweißareal 12 das Abkühlen des Schweißareals 1 1 im Wesentlichen unbeeinflusst lässt, usw.

Figur 4 beschreibt das erfindungsgemäße gepulste Schweißen anhand eines Diagramms, in dem über der Zeit t die Laserleistung PLaser aufgetragen ist. Ein erster Schweißimpuls erstreckt sich vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt ti . Hieran schließt sich ein Pausenintervall der Länge [ti , t2] an.

Hierauf erfolgt ein weiterer Schweißimpuls der Länge [.2, t3] , woran sich wieder ein Pausenintervall der Länge [.3, t4] anschließt. Die Periodendauer, d. h. die Länge eines Schweißimpulses und eine sich daran anschließenden Pausenintervalls beträgt somit T= [.2, U].

Die Figuren 5 - 9 verdeutlichen, dass die Erfindung nicht auf die Herstellung der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Nahtformen beschränkt ist, sondern auch bei der Herstellung sämtlicher anderer Nahtformen zum Einsatz kommen kann, wie z.B. bei der Herstellung von Kehlnähten (Fig. 6), zum Beispiel am Überlappstoß (Stirnkehlnaht), am T-Stoß (Fig. 7), am Bördelstöß, bei der Herstellung klassischer I-Nähte am Überlappstoß, usw.