DE19948013A1

DE19948013A1 - Verfahren zum Verbinden von Metallblechen durch Strahlschweißen

Info

Publication number: DE19948013A1
Application number: DE19948013A
Authority: DE
Inventors: Thomas Stegemann-Auhage; Wilfried Prange
Original assignee: ThyssenKrupp Stahl AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 1999-10-06
Filing date: 1999-10-06
Publication date: 2001-05-17

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Verbinden von Metallblechen unterschiedlicher Dicke durch Strahlschweißen, bei dem die Bleche mit ihren der Strahleinfallseite gegenüberliegenden Seiten in einer Horizontalebene und mit ihren miteinander zu verschweißenden Kanten im Stumpfstoß aneinander liegen, so dass sie einen Fügestoß bilden, und bei dem die Achse des entlang des Fügestoßes zu führenden Schweißstrahles gegenüber einer Senkrechten zu den Oberflächen der Bleche in eine Richtung im wesentlichen quer zu den Kanten und zur Seite des dicken Bleches hin geneigt ist und ausschließlich durch das dicke Blech verläuft, sind nach dem Schweißen an den verschweißten Blechen im Bereich der Schweißnaht häufig unerwünschte Querschnittsverjüngungen in Form von Einbrandkerben festzustellen. Um diese die hergestellte Platine schwächenden Querschnittsverjüngungen zu vermeiden, wird ein Schweißverfahren vorgeschlagen, bei dem die Achse des Schweißstrahles die der Strahleinfallseite gegenüberliegende Oberfläche des dickeren Bleches in einem Punkt durchstößt, der von der Mittellinie des Fügestoßes beabstandet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Metallblechen unterschiedlicher Dicke durch Strahlschweißen, bei dem die Bleche mit ihren der Strahleinfallseite gegenüberliegenden Seiten in einer Horizontalebene und mit ihren miteinander zu verschweißenden Kanten im Stumpfstoß aneinander liegen, so dass sie einen Fügestoß bilden, und bei dem die Achse des entlang des Fügestoßes zu führenden Schweißstrahles gegenüber einer Senkrechten zu den Oberflächen der Bleche in eine Richtung im wesentlichen quer zu den zu verschweißenden Kanten und zur Seite des dicken Bleches hin geneigt ist und ausschließlich durch das dicke Blech verläuft.

Das Strahlschweißen, insbesondere das Laserstrahlschweißen unterschiedlich dicker Metallbleche im Stumpfstoß ist ein in der Praxis übliches Verfahren zur Herstellung von sogenannten maßgeschneiderten Tiefziehplatinen, d. h. also von Platinen, die in einem nachfolgenden Tiefziehschritt zu einem Bauteil umgeformt werden sollen. Solche Platinen werden z. B. in großem Umfang in der Automobilindustrie im Bereich Karosseriebau eingesetzt. Die so durch Tiefziehen hergestellten Karosseriebauteile weisen dann verschiedene Bauteilbereiche auf, die unterschiedliche Blechdicken besitzen. Die Blechdicke ist dabei angepasst an die unterschiedlich großen mechanischen Belastungen, denen die einzelnen Bereiche eines Karosseriebauteils ausgesetzt sind.

Um ein problemloses und werkzeugschonendes Verhalten im Umformwerkzeug beim Tiefziehen solcher Platinen zu erreichen, ist es wichtig, dass der Übergang vom dicken auf das dünne Blech im Bereich der Schweißzone möglichst sanft und gleichmäßig ausgebildet ist. Es darf weder auf der Seite des Dickensprunges ein allzu steiler und sprunghafter Dickenübergang verbleiben, noch darf auf der dem Dickensprung gegenüberliegenden Seite der Platine die Schweißnahtwurzel als Wulst aus der Blechebene herausragen. In beiden Fällen würde sonst nämlich in diesen Bereichen ein erhöhter Verschleiß der teuren Tiefziehwerkzeuge auftreten, so dass deren Standzeit und damit die Wirtschaftlichkeit des Umformprozesses herabgesetzt werden würde. Außerdem darf nach dem Schweißen keine abrupte Querschnittsverengung im Bereich der Schweißzone vorliegen, da es dort während des Tiefziehens sonst zu erhöhten Spannungsspitzen kommt, die zum Reißen der Platine führen können.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist aus der DE 196 36 212 C1 bekannt. Das dort beschriebene Laserstrahl-Schweißverfahren hat zum Ziel, eine Schweißnaht guter Qualität zu erzeugen und gleichzeitig einen guten, d. h. sanften und gleichmäßigen Übergang zwischen den miteinander verschweißten Blechen zu erzielen. Dieses Ziel soll dadurch erreicht werden, dass die Achse des Laserstrahls in einer Ebene, die senkrecht zu den aneinanderstoßenden Blechen und etwa senkrecht zu der Längserstreckung der zwischen den Blechen gebildeten Stoßnaht verläuft, geneigt ist und die bündig aneinanderstoßenden Blechoberflächen auf der Platinenunterseite in ihrem Berührpunkt schneidet. Bei einer solchen Ausrichtung des Laserstrahls beobachtet man in der Praxis häufiger eine unerwünschte Einschnürung des Platinenquerschnitts in der Nähe der Stoßnaht. Diese Einschnürung ist die Folge einer Einbrandkerbe, die sich aufgrund der Schmelzbaddynamik beim Schweißen ausbildet. In diesem eingeschnürten Querschnitt treten beim anschließenden Tiefziehen erhöhte Spannungen auf, die zu einem frühzeitigen Reißen der Platine führen können. Zusätzlich wirkt sich die Kerbwirkung der Einbrandkerbe spannungserhöhend und damit nachteilig auf den Umformschritt aus, da auch hierdurch ein Beitrag zu einem vorzeitigen Reißen der Platine geleistet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren anzugeben, mit dem ein sanfter und gleichmäßiger Dickenübergang auf beiden Seiten der Platine erzielt und gleichzeitig die Ausbildung von schweißinduzierten Verjüngungen des Platinenquerschnitts, etwa in Form von Einbrandkerben im Bereich der Schweißnaht vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Rahmen der Ausrichtung des Schweißstrahls dadurch gelöst, dass die Achse des Schweißstrahls die der Strahleinfallseite gegenüberliegende Oberfläche des dickeren Bleches in einem Punkt durchstößt, der von der Mittellinie des Fügestoßes beabstandet ist. Auf diese Weise wird eine erhöhte Schmelzbaddynamik im Bereich der der Strahleinfallseite gegenüberliegenden Platinenoberfläche während des Schweißens vermieden, so dass es nicht zur Ausbildung von Einbrandkerben kommt. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass genügend Material des dicken Bleches abgeschmolzen wird, um einen sanften und gleichmäßigen Dickenübergang zu erzielen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, den Abstand des Durchstoßpunktes in Abhängigkeit von der Dicke der zu verschweißenden Bleche zu wählen. Dabei wird der Abstand E so eingestellt, dass er der Beziehung E = (d₁ - d₂) . ((d₁ + d₂)/100 mm)) genügt, wobei d₁ bzw. d₂ die Dicke des dickeren bzw. dünneren Bleches bezeichnet. Auf diese Weise kann für jede Blechdickenpaarung bestimmt werden, wie groß der Abstand E zu sein hat.

Vorzugsweise sollte die Neigung der Schweißstrahlachse gegenüber der Senkrechten zu den Blechoberflächen einen Winkel von 10° nicht überschreiten, um Nahtbindefehler auszuschließen.

Die erfindungsgemäße Strahlausrichtung ist für das Schweißen mit Laserstrahlen geeignet, wobei sowohl Gaslaser als auch Festkörperlaser eingesetzt werden können. Alternativ zum Einsatz von Laserstrahlen können auch Elektronenstrahlen zur Einbringung der Schweißenergie verwendet werden.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Zeichnung, die die miteinander zu verschweißenden Bleche im Halbschnitt darstellt, erläutert.

Die Bleche 1, 2 sind so zueinander angeordnet, dass ihre Unterseiten 3 und 4 in einer gemeinsamen Horizontalebene liegen. Die Kanten 5 und 6 der Bleche liegen auf Stoß aneinander an, so dass sie einen Fügestoß 7 bilden, der idealerweise spaltfrei ist. Die Mittellinie 8 des Fügestoßes 7 verläuft parallel zu den Blechkanten 5, 6 und senkrecht zur Zeichenebene.

Bei dieser Blechanordnung ist die Achse des von der Oberseite der Bleche her einstrahlenden Schweißstrahls gegenüber einer senkrecht auf der Oberfläche 9 des Bleches 1 stehenden Bezugslinie um einen Winkel von etwa 10° zur Seite des dickeren Bleches 1 hin und gleichzeitig in eine Richtung im wesentlichen quer zum Fügestoß 7 geneigt. Der Schweißstrahl strahlt dabei so auf das dickere Blech 1 ein, dass seine Achse 10 nur das Material dieses Bleches durchläuft und auf dessen Unterseite in einem Durchstoßpunkt P wieder austritt. Dieser Durchstoßpunkt liegt in einem Abstand E von der Mittellinie 8 des Fügestoßes 7 entfernt. Der für eine Blechdickenpaarung von d₁ = 2 mm und d₂ = 1 mm gemäß der Beziehung nach Anspruch 2 einzustellende Wert für den Abstand E beträgt 0,03 mm.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von Metallblechen unterschiedlicher Dicke durch Strahlschweißen, bei dem die Bleche mit ihren der Strahleinfallseite gegenüberliegenden Seiten in einer Horizontalebene und mit ihren miteinander zu verschweißenden Kanten im Stumpfstoß aneinander liegen, so dass sie einen Fügestoß bilden, und bei dem die Achse des entlang des Fügestoßes zu führenden Schweißstrahles gegenüber einer Senkrechten zu den Oberflächen der Bleche in eine Richtung im wesentlichen quer zu den Kanten und zur Seite des dicken Bleches hin geneigt ist und ausschließlich durch das dicke Blech verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Schweißstrahles die der Strahleinfallseite gegenüberliegende Oberfläche des dickeren Bleches in einem Punkt durchstößt, der von der Mittellinie des Fügestoßes beabstandet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand des Durchstoßpunktes von der Mittellinie des Fügestoßes nach folgender Beziehung bestimmt:
E = (d₁ - d₂) . ((d₁ + d₂)/100 mm))
mit d₁ = Dicke des dickeren Bleches und d₂ = Dicke des dünneren Bleches.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Schweißstrahles gegenüber der Senkrechten zu den Oberflächen der Metallbleche um einen Winkel α geneigt ist, der größer als 0° und kleiner als 10° ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl ein Laserstrahl ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl ein Elektronenstrahl ist.