Verfahren zum Verschweißen zweier Blechbauteile und Bauteilverbund

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Blechbauteile, von denen zumindest eines eine Beschichtung aufweist, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Bauteilverbund zweier Blechbauteile.

Aus Korrosionsschutzgründen werden z.B. im Karosserierohbau häufig Bleche verwendet, die mit einer Antikorrosionsbeschichtung versehen sind, wie beispielsweise verzinkte Stahlbleche. Die Beschichtung weist dabei meist einen niedrigen Siedepunkt auf, der weit unter dem Schmelzpunkt des Blechmaterials liegt. Beispielsweise wird das Stahlblech bei ca. 1500°C schmelzflüssig, während das Zink bereits bei ca. 900°C verdampft. Werden beschichtete Blechbauteile miteinander zu einem Bauteilverbund verschweißt, so erfolgt aufgrund der hohen Energieintensität des Schweißprozesses die Verdampfung der Beschichtung plötzlich, was insbesondere bei Überlappverbindungen zu einer verstärkten Bildung von Schweißspritzern führt. Die

Schweißspritzer setzen sich als Ablagerung und Anhaftung auf der Bauteiloberfläche ab, wo sie die optische Qualität verschlechtem und zu Korrosion führen können. Der Materialverlust in der Schweißnaht führt zu Endkratem und Löchern und somit ggf. zu einem Festigkeitsabfall der Naht. Weiterhin führen die Schweißspritzer zu Verunreinigungen der Spannvorrichtung.

Um diese Probleme zu verhindern, sind für I-Nähte Lösungsansätze bekannt, bei denen die Blechbauteile mit einem definierten Entgasungsspalt von ca. 0,1 mm bis 0,2 mm überlappend übereinander angeordnet werden und verschweißt werden. So ist z.B. aus der Druckschrift DE 102014 006 077 B3 bekannt, den Entgasungsspalt über noppenartige Erhöhungen sicherzustellen, die auf einem der Fügepartner mittels Laserstrahlschmelzen ausgebildet werden. Nachteilig an dieser Lösung ist der zusätzliche Arbeitsschritt zur Herstellung der Erhöhungen.

Ein Ansatz, die Entgasungsmöglichkeiten an einer Stimkehlnaht zu verbessern, ist z.B. aus der Druckschrift EP 0 771 605 A2 bekannt, die vorschlägt, zinkbeschichtete Blechbauteile vor dem Verschweißen im Nahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend anzuordnen. Der Laserstrahl strahlt geneigt auf die Fügestelle ein, so dass Material des Ober- und Unterblechs aufgeschmolzen wird. Der Winkel zwischen den Blechbauteilen dient zur Bildung eines Entgasungsbereichs und gewährleistet, dass die Zinkbe- schichtung in gasförmiger Form entweichen kann, ohne das Schmelzbad der entstehenden Kehlnaht zu stören. Nachteilig ist die geringe Anbindungsflä- che, da sich die Blechbauteile nur noch entlang einer Stoßkante berühren sowie die aufwendige Positionierung der Blechbauteile.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Laserstrahl-Schweißverfahren sowie einen verbesserten Bauteilverbund aufzuzeigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und einen Bauteilverbund nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es wird ein Verfahren zum Verschweißen zweier Blechbauteile angegeben, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem niedrigen Siedepunkt aufweist, der unter dem Schmelzpunkt des Blechmaterials liegt. Zum Ausbilden der Schweißnaht werden die Blechbauteile so zueinander angeordnet, dass eine Stirnfläche des ersten Blechbauteils und eine Flanke des zweiten Blechbauteils eine Kehle mit einem vorgegebenen spitzen Kehlwinkel bilden.

Erfindungsgemäß wird die Laserschweißnaht durch Wärmeleitungsschweißen ausgebildet, wozu ein Laserstrahl derart auf das erste Blechbauteil gerichtet wird, dass die Stirnfläche und weiteres Material des ersten Blechbauteils aufgeschmolzen wird und in die Kehle fließt und dort mit der Flanke des zweiten Blechbauteils anbindet und zur Schweißnaht erstarrt.

Beim Wärmeleitungsschweißen wird die Energiedichte des Laserstrahls so gewählt, dass die Bearbeitungstemperatur unter der Verdampfungstemperatur des Stahlwerkstoffs bleibt. Im Gegensatz zum Tiefschweißen kommt es nicht zur Ausbildung einer Dampfkapillaren. Der Energieeintrag beim Wärmeleitungsschweißen erfolgt ausschließlich durch Wärmeleitung. Hierdurch kommt es zu einer eher oberflächlichen Anschmelzung der Fügepartner.

Erfindungsgemäß wird vornehmlich das Material des ersten Blechbauteils und dort insbesondere die Stirnfläche und das daran angrenzende Material aufgeschmolzen. Dieses fließt in die Kehle und trifft auf die oberflächlich angeschmolzene Flanke des zweiten Blechbauteils. Dort erstarrt die Schmelze. Durch die winklige Anordnung in Kombination mit dem Aufschmelzen per Wärmeleitungsschweißen kann eine große Anbindungsfläche und vollständige Anbindung der Blechbauteile erreicht werden. Die Erfindung erzielt gerade beim Verschweißen beschichteter Bleche deutliche Vorteile. An der Flanke kann der entstehende Zinkdampf frei entweichen, ebenso an der Oberfläche des ersten Blechbauteils. Aufgrund des Wärmeleitungsschweißens wird die Zinkverdampfung an der dem Laserstrahl abgewandten Seite des ersten Blechbauteils drastisch reduziert und verlangsamt, so dass hieraus resultierende Probleme vermieden werden. Bleche können mit dem Verfahren mit sehr hohen optischen und qualitativen Nahteigenschaften verschweißt werden. Zudem ist der Einsatz in korrosivbelasteten Bereichen möglich.

Das aufgeschmolzene Material des ersten Blechbauteils wird verwendet, um die Kehle zumindest teilweise zu füllen und eine Anbindung an die Flanke des zweiten Blechbauteils herzustellen. Hierzu hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Laserstrahl auf einen an die Stirnfläche angrenzenden Oberflächenabschnitt des ersten Blechbauteils gerichtet wird.

Zur gezielten Aufschmelzung des oberflächennahen Bereichs ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Laserstrahl ähnlich dem Ausbilden einer I-Naht senkrecht oder um maximal +/- 30 Grad abweichend von der Senkrechten auf die Oberfläche des ersten Blechbauteils gerichtet wird.

Der Kehlwinkel, welcher zwischen Stirnfläche und Flanke gebildeten wird, beeinflusst z.B. die Möglichkeit zur Zinkentgasung und definiert das Schmelzevolumen, das zur Erzielung einer ausreichenden Anbindung an der Flanke erforderlich ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Kehlwinkel in einem Bereich von 1 Grad bis 80 Grad oder von 1 Grad bis 45 Grad und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 Grad bis 45 Grad gewählt wird.

Vorteilhafter Weise können aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensführung die beiden Blechbauteile auch im Überlappstoß angeordnet werden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Sicherstellung der Zinkentgasung erforderlich sind. So weist in einer bevorzugten Ausgestaltung das zweite Blechbauteil einen Hauptteil mit der Flanke auf und eine daran anschließende und gegenüber der Flanke angewinkelte Seitenwange. Das erste Blechbauteil wird in einer Überlappanordnung zur Seitenwange positioniert. Das erste Blechbauteil kann flächig auf der Seitenwange aufliegen oder es kann zwischen den Blechbauteilen ein definierter Spalt vorgesehen sein. Zur Erzeugung der Kehle weist die Stirnfläche des ersten Blechbauteils zur Flanke des zweiten Blechbauteils hin und vorzugsweise wird das erste Blechbauteil mit einer Stoßkante in Anlage mit der Flanke gebracht.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Stimkehlnähten erfolgt die Anbindung der Blechbauteile zwischen der Stirnfläche des ersten Blechbauteils und der, die Kehle zur anderen Seite hin begrenzenden, offenliegender Flanke des zweiten Blechbauteils. Vorzugsweise wird die Schweißverbindung ausschließlich zwischen dem erstem Blechbauteil und der offenliegender Flanke des zweiten Blechbauteils ausgebildet und nicht in dem Überlappbereich, in dem die Blechbauteile überlappend aufeinander liegen. Es ist nicht erforderlich, durch das erste Blechbauteil hindurch und bis in das zweite Blechbauteil hinein zu schweißen, wodurch die Zinkentgasungsproblematik erheblich entschärft werden kann.

Die angewinkelte Seitenwange kann z.B. als einfaches Mittel zur exakten Positionierung der Blechbauteile verwendet werden. Der Winkel, welcher zwischen Seitenwange und Flanke eingeschlossen ist, wird vorzugsweise derart gewählt, dass durch Anlage des ersten Blechbauteils an die Seitenwange der gewünschte Kehlwinkel zwischen Stirnfläche des ersten Blechbauteils und Flanke des zweiten Blechbauteils erreicht wird. Der zum Schweißen eingesetzte Laserstrahl kann im Dauerbetrieb (cw- continuous wave) oder im gepulsten Betrieb verwendet werden. Der Laserstrahl kann aus mehreren Teilstrahlen zusammengesetzt sein, z.B. bei Verwendung einer Multispot-Laservorrichtung.

Die Beschichtung ist vorzugsweise eine Antikorrosionsbeschichtung. Die Blechbauteile können flache Bleche oder Blechformteile sein. Es kann sich bei den Blechbauteilen insbesondere um verzinkte Stahlbleche handeln, z.B. elektrolytisch verzinkte oder feuerverzinkte Stahlbleche. Die Blechbauteile haben vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm. Ganz besonders eignet sich das Verfahren zum Verschweißen von Karosseriebauteilen oder Karosserieanbauteilen.

Weiterhin wird ein Bauteilverbund mit zwei Blechbauteilen angegeben, von denen zumindest eines eine Beschichtung mit einem Siedepunkt aufweist, der unter dem Schmelzpunkt des Blechmaterials liegt. Ein erstes Blechbauteil ist durch eine Laserschweißnaht mit einem zweiten Blechbauteil verbunden. Erfindungsgemäß ist die Laserschweißnaht in einer durch eine Stirnfläche des ersten Blechbauteils und eine Flanke des zweiten Blechbauteils gebildete Kehle mit spitzem Kehlwinkel ausgebildet ist. Die Laserschweißnaht ist durch Wärmeleitungsschweißen ausgebildet derart, dass das erste Blechbauteil mit der der Stirnfläche zugewandten Flanke des zweiten Blechbauteils verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das zweite Blechbauteil einen Hauptteil mit der Flanke und eine daran anschließende, gegenüber der Flanke angewinkelte Seitenwange auf und das erste Blechbauteil ist in einer Überlappanordnung mit der Seitenwange des zweiten Blechbauteils angeordnet. Der Bauteilverbund kann insbesondere mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden und weist insofern dieselben technischen Merkmale und Vorteile auf.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 : eine beispielhafte Blechbauteilanordnung vor Beginn des Verfahrens in einer Schnittansicht und

Figur 2: die mit einer Schweißnaht verbundenen Blechbauteile aus Figur 1 nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt ausschnittsweise ein erstes Blechbauteil 1 und ein zweites Blechbauteil 2 in Form von verzinkten Stahlblechen, die durch eine Laserschweißnaht miteinander verbunden werden sollen. Die Schweißnaht wird zwischen einer Stirnfläche 3 des ersten Blechbauteils 1 und einer Flanke 4 des zweiten Blechbauteils 2 ausgebildet. Die Blechbauteile werden so zueinander angeordnet, dass die Stirnfläche 3 mit der Flanke 4 eine Kehle 5 mit einem spitzen Kehlwinkel α bildet.

Zur Ausbildung der Schweißnaht wird nun Laserstrahlung im Wesentlichen senkrecht auf das erste Blechbauteil gerichtet. Dies schließt eine Neigung des Laserstrahls L gegenüber der Senkrechten um bis zu 5 Grad ein. Der Laserstrahl L wird an den Rand des ersten Blechbauteils 1 in der Nähe zur Stirnfläche 3 positioniert. Durch diese Positionierung und Einstrahlrichtung wird überwiegend Material des ersten Blechbauteils 1 aufgeschmolzen, so insbesondere die dem Laserstrahl zugewandte Kante 6 sowie umliegendes Material. Die Stirnfläche 3 wird ebenfalls aufgeschmolzen. Die Schmelze fließt in die Kehle 5, bindet dort an die Flanke 4 des zweiten Blechbauteils 2 und erstarrt zur Schweißnaht 7 (Figur 2).

Diese Verfahrensführung bietet verbesserte Zinkentgasungsmöglichkeiten. Zinkbeschichtung, die während der Schweißung von der Flanke 4 verdampft, kann problemlos durch die Kehle 5 entweichen. Die Stirnfläche 3 ist vorzugsweise als Schneidkante ausgebildet und als solche unbeschichtet. Wäre die Schneidkante 3 jedoch beschichtet, könnte auch dort entstehender Dampf problemlos über die Kehle entweichen. Da das Schweißen als Wärmeleitungsschweißen durchgeführt wird, erfolgt keine Tiefschweißung und die Laserstrahlung dringt nicht durch das erste Blechbauteil 1 bis in das zweite Blechbauteil 2 hinein. Das zweite Blechbauteil 2 wird lediglich im Bereich der offenen Flanke 4 aufgeschmolzen. Hierdurch wird die Verdampfung der Zinkbeschichtung auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite des ersten Blechbauteils reduziert.

Damit wird es möglich, das erste und zweite Blechbauteil in einer Überlappanordnung anzuordnen, ohne dass zusätzliche Entgasungsmöglichkeiten, wie z.B. Entgasungsspalte o.ä., in dem Überlappbereich 8 der Blechbauteile 1 , 2 vorgesehen werden müssten.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Überlappanordnung, welche eine Positionierung der Blechbauteile 1, 2 erleichtert und zudem als Schweißbadsicherung fungieren kann, ist in den Figuren gezeigt. Das zweite Blechbauteil 2 geht von der Flanke 4 in eine Seitenwange 9 über, die gegenüber der Flanke 4 angewinkelt ist. Fertigungsbedingt kann zwischen Flanke 4 und Seitenwange 9 eine Rundung vorhanden sein. Das erste Blechbauteil 1 ist überlappend zur Seitenwange 9 positioniert. Das erste Blechbauteil 1 kann auf der Seitenwange 9 aufliegen oder zwischen den Blechbauteilen kann ein definierter Spalt vorgesehen sein. Zur Erzeugung der Kehle weist die Stirnfläche 3 zur Flanke 4 hin und vorzugsweise wird das erste Blechbauteil 1 mit einer Stoßkante 0 in Anlage mit der Flanke 4 gebracht. Der Winkel ß, welcher zwischen Seitenwange 9 und Flanke 4 eingeschlossen ist, ist vorzugsweise derart gewählt, dass durch Anlage des ersten Blechbauteils an die Seitenwange 9 der gewünschte Kehlwinkel α zwischen Stirnfläche 3 und Flanke 4 erreicht wird. Der Kehlwinkel α liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 Grad bis 80 Grad oder 1 Grad bis 45 Grad und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 Grad bis 45 Grad. Ausgehend von einer Schnittkante 3, die im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsebene des ersten Bauteils 1 verläuft, wird der Winkel ß vorzugsweise in einem Bereich von 91 Grad bis 170 Grad oder 91 Grad bis 135 Grad und besonders bevorzugt in einem Bereich von 95 Grad und 135 Grad gewählt.

Mit dem beschriebenen Verfahren können Schweißnähte ausgebildet werden, die hohe optische und qualitative Nahteigenschaften aufweisen. Vorteilhafter Weise lässt sich die Qualität der mit dem Verfahren hergestellten Schweißverbindung anhand des optischen Erscheinungsbildes der Schweißnaht beurteilen. Ein fehlerhaft positionierter Laserstrahl ist z.B. durch fehlende Anbindung der Naht an die Flanke 4 oder durch mangelndes Aufschmelzen der Blechbauteilkante 6 erkennbar.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Bezugszeichenliste

1 , 2 Blechbauteil

3 Stirnfläche

4 Flanke

5 Kehle

6 Kante

7 Schweißnaht

8 Überlappbereich

9 Seitenwange

10 Stoßkante L Laserstrahl α Kehlwinkel ß Winkel