DE69314268T2

DE69314268T2 - Verfahren und Einrichtung zum Laserstahlschweissen von auf Stoss geführten Stahlblechen

Info

Publication number: DE69314268T2
Application number: DE69314268T
Authority: DE
Inventors: Jerome Guth
Original assignee: Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
Current assignee: Sollac SA
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-07-07
Also published as: EP0583181B1; FR2694513A1; CA2101091C; DE69314268D1; FR2694513B1; CA2101091A1; US5399834A; JPH06155084A; JP3326245B2; ATE158737T1; ES2108840T3; EP0583181A1

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Stumpfschweißung von Blechen mittels eines Laserstrahis zum Gegenstand.
Das Stumpfschweißen von Blechen mittels eines Laserstrahls stellt sehr hohe Präzisionsanforderungen hinsichtlich Form und Lage der zu verschweißenden Bleche.
Die Qualität der Schweißverbindung hängt großteils von der Lagegenauigkeit der Bleche und der Güte der Berührung zwischen den Blechen an der Verbindungsebene ab.
Wenn die Qualität der Berührung an der Verbindungsebene zwischen den zu verschweißenden Blechen inkorrekt ist, d.h., wenn das Spiel zwischen den zu verschweißenden Blechen zu groß ist, kann es vorkommen, daß die Berührebene nicht kontinuierlich ist und Löcher aufweist.
Wenn ferner das Spiel zwischen den Blechen an der Berührebene lokal zu groß ist, kommt es vor, daß die Schweißverbindung auf gewissen Zonen einen Einbruch aufweist.
Ein solcher Einbruch der Verbindungsebene wird toleriert, wenn er gewisse Grenzen nicht überschreitet.
So verlangen beispielsweise die von den Automobilbauern definerten Normen, daß für Bleche, deren Stärke unter 1 mm liegt, der Gesamtwert der Einbrüche der geschweißten Verbindung, d.h. der kumulierte Wert der Einbrüche im oberen und unteren Teil der Bleche 20 % der Stärke des Bleches der geringsten Stärke nicht überschreitet.
Ebenso darf für Bleche mit einer Stärke von mehr als 1 mm der Gesamtwert der Einbrüche der geschweißten Verbindung 10 % der Stärke des schwächsten Bleches nicht überschreiten.
Um diese Risiken einer nicht kontinuierlichen Verbindung oder von zu starken Einbrüchen zu begrenzen, wurde bislang die Abschneidqualität der Bleche verbessert, um Wellungen der Schnittkanten zu begrenzen und eine bessere Berührung der Bleche untereinander zum Abbau des Spiels zwischen den Blechen zu gewährleisten.
Zur Gewinnung eines solchen Ergebnisses ist es jedoch erforderlich, in hochpräzise teuere Scheren zu investieren oder Doppelscheren zu verwenden, die ein gleichzeitiges Abschneiden der beiden anzusetzenden Bleche, mit derselben Klinge, gestatten.
Eine weitere Lösung besteht in einer Vorbereitung der zu verschweißenden Bleche mittels eines Laserstrahls.
Das Dokument EP-A1-0 151 848, welches den am nächsten kommenden Stand der Technik darstellt, beschreibt ein Verfahren zur Stumpfschweißung von Blechen mittels eines Laserstrahls, bei welchem auf die zu verschweißenden Bleche eine Kraft in Richtung der Verbindungsebene ausgeübt wird, um die Bleche gegeneinander zu versetzen, und es wird eine geschweißte Verbindung hergestellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Stumpfschweißung von Blechen mittels eines Laserstrahls vorzuschlagen, mit welchem ein minimales Spiel an der Verbindungsebene der Bleche gewährleistet werden kann, um eine gute Qualität der geschweißten Verbindung auch dann zu erhalten, wenn die Bleche getrennt mittels einer sogenannten Standardschere geschnitten werden.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Schweißverfahren, wie es im Anspruch 1 definiert ist.
Gemäß weiterer Merkmale der Erfindung
- ist der Berührdruck zwischen den Blechen abhängig von dem Punkt, wo er sich in Bezug auf die Enden der Verbindungsebene der Bleche ausbildet, veränderlich,
- hat der Druck zwischen den Blechen einen größeren Wert an den Punkten der Verbindungsebene, die ein großes Spiel aufweisen, als es ein Wert an den Punkten ist, für welche das Spiel minimal oder null ist,
- hat der Berührdruck zwischen den Blechen einen Minimalwert in der Nähe der Enden der Verbindungsebene der Bleche und einen Maximalwert in der Nähe der Mitte der Verbindungs ebene,
- ist der Minimaldruck gleich dem 0,05-fachen der Elastizitätsgrenze des Bleches, das die geringste Elastizitätsgrenze hat, und der Maximaldruck gleich dem Beuldruck des Bleches, das den minimalen Beuldruck hat.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Zuge der folgenden, als Beispiel gegebenen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vorgenommenen Beschreibung deutlich werden, auf welchen
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht von zwei stumpf zu verschweißenden Blechen ist,
Fig. 2 ein Diagramm ist, welches ein Beispiel für die Verteilung des Berührdrucks zwischen den Blechen an der Verbindungsebene gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Schweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in einem Stumpfverschweißen von wenigstens zwei Blechen 1 und 2 mittels eines nicht dargestellten Laserstrahls.
Das Verfahren besteht darin, auf die zu verschweißenden Bleche 1 und 2 einen zur Verbindungsebene 3 der Bleche gerichteten seitlichen Druck F auszuüben derart, daß der Berührdruck P, der sich an der Verbindungsebene 3 an den in Berührung stehenden seitlichen Flächen 4 und 5 ausbildet, zwischen 0,05 Re und Pf liegt, wobei Re die Elastizitätsgrenze des Blechs 1 oder 2, das die geringste Elastizitätsgrenze hat, und Pf der Grenzdruck für das Ausbeulen des Blechs 1 oder 2, das die minimale Beuldruckgrenze hat, ist.
Wenn der auf die Bleche 1 und 2 ausgeübte seitliche Druck F so gering ist, daß der Berührdruck P den Grenzwert von 0,05 Re nicht erreicht, hat die Berührung zwischen den Blechen 1 und 2 an der Verbindungsebene 3 keine ausreichende Güte dafür, daß nach dem Schweißen eine zufriedenstellende geschweißte Verbindung erzielt ist.
Wenn umgekehrt die Kraft F zu groß ist und einen Berührdruck P zwischen den Blechen 1 und 2 zur Folge hat, der größer als der Beulgrenzdruck des Blechs 1 oder 2 mit der geringsten Beuldruckgrenze ist, entsteht eine Ausbeulung der Bleche und nach dem Schweißen ist die geschweißte Verbindung versetzt, oder sogar unmöglich herzustellen.
Der Beulgrenzdruck Pf der Bleche 1 und 2 hängt von den mechanischen Eigenschaften der Bleche und der freien Länge außerhalb der Klemmbacken ab.
Beispielsweise muß in einem Fall der Verschweißung von zwei Blechen einer Dicke von 0,8 mm aus Weichstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt für eine Verwendung bei Kraftfahrzeugen, der eine Elastizitätsgrenze von 170 MPa hat, der an der Verbindungsebene 3 auszuübende Berührdruck in folgendem Intervallliegen:
8,5MPa < P < 15MPa
Mit Vorteil besteht das erfindungsgemäße Schweißverfahren in einer Ausübung eines gegen die Verbindungsebene 3 der Bleche gerichteten seitlichen Drucks F auf die Bleche 1 und 2 derart, daß der Berührdruck P zwischen den Blechen 1 und 2 an der Verbindungsebene 3 abhängig von dem Punkt, wo sich dieser in Bezug auf die Enden 6 und 7 dieser Verbindungsebene 3 ausbildet, veränderlich ist.
Der Minimalwert P1 des Druckes P bildet sich im Bereich der Enden 6 und 7 der Verbindungsebene 3 und der Maximalwert P2 in der Mittelzone dieser Verbindungsebene 3 aus (Fig. 2).
Im Grenzfall der Beührdruckverteilung P an der Verbindungsebene 3 ist der sich im Bereich der Enden 6 und 7 dieser Verbindungsebene ausbildende Minimaldruck P1 gleich 0,05 Re und der Wert des Maximaldrucks P2 im Bereich der Mitte der Verbindungsebene 3 gleich Pf.
Diese veränderliche Verteilung der Berührdrucke zwischen den Blechen 1 und 2 an der Verbindungsebene 3 gestat tet eine Minimalisierung der Gefahr einer Ausbeulung dieser Bleche, denn diese Ausbeulung beginnt oft über die Ränder der Bleche aufgrund von Verformungen und eventuellen Beschädigungen, die diese Bleche bei ihrer Lagerung und ihrem Transport erfahren.
Ferner gestattet diese veränderliche Verteilung der Berührdrucke die Gewährleistung einer Qualität der Berührung zwischen den Blechen 1 und 2, die konstanter über die gesamte Länge der Verbindungsebene 3 ist.
Der Vorgang des Schneidens der Bleche führt zu Spannungsfreisetzungen auf Höhe der Mitte der geschnittenen Bleche.
Diese Spannungsfreisetzungen können ein Zurückziehen des Blechs auf dieser Höhe, also in der Mitte des geschnittenen Blechs, und so erhebliche Restspiele an dieser Stelle zur Folge haben.
Wenn die Schweißeinrichtung eine Einfahrsteuervorrichtung aufweist, die es ermöglicht, auf Höhe der Verbindungsebene 3 die Punkte zu lokalisieren, für welche das Spiel zu groß ist, gestattet die vorliegenden Erfindung die Ausübung eines Drucks P zwischen den Blechen 1, 2 mit einem Wert P2, der an den Punkten der Verbindungsebene, die ein großes Spiel aufweisen, größer ist als ein Wert P1 an den Punkten, für welche das Spiel minimal oder null ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Stumpf schweißen von Blechen mittels eines Laserstrahls.
Diese Vorrichtung weist Mittel zur seitlichen Unterdrucksetzung, gerichtet zur Verbindungsebene 3, der zu verschweißenden Bleche 1 und 2 auf. Diese Mittel sind durch wenigstens drei, getrennte oder nicht getrennte, Elemente gebildet, die es gestatten, einen minimalen Berührdruck P1 in der Nähe der Enden 6 und 7 der Verbindungsebene 3 und einen maximalen Berührdruck P2 in der Nähe der Mitte der Verbindungsebene 3 auszuüben.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird jedes zu schweißende Blech 1 und 2 mit Schuhen 10, 11, 12 und 13 gehalten, die mit der Ober- und Unterseite eines jeden Blechs 1 und 2 in Berührung stehen, und zar 10 und 11 für die Ober- und Unterseite des Blechs 1 und 12 und 13 für die Ober- und Unterseite des Blechs 2.
Die vertikale Unterdrucksetzung der Schuhe 10, 11, 12 und 13 erfolgt durch jeweilige Anlagerollen 14, 15, 16 und 17.
Die Mittel zur seitlichen Unterdrucksetzung der Bleche 1 und 2 sind beispielsweise durch jeweilige Steller 18, 19, 20 und 21 gebildet, die mit den Schuhen 10, 11, 12 und 13 verbunden sind.
Allgemein ist der Schweißaufbau durch Ketten von Schuhen 10, 11, 12 und 13 gebildet, wobei sich jeder Steller 18, 19, 20 und 21 mit den Schuhen 10, 11, 12 und 13 versetzt.
Jedes Blech 1 bzw. 2 wird durch wenigstens drei Sätze von Schuhen bei seiner Versetzung zum nicht dargestellten Laserstrahl gehalten, wobei zwei Sätze von Endschuhen über ihre Steller eine Kraft ausüben, die so berechnet ist, daß ein minimaler Berührdruck P1 in der Nähe der Enden der Verbindungsebene 3 erhalten wird, und ein Satz von Mittelschuhen über seine Steller eine Kraft ausübt, die so berechnet ist, daß ein maximaler Berührdruck P2 in der Nähe der Mitte der Verbindungsebene 3 erhalten wird.
Das Verfahren der Stumpfschweißung von Blechen mittels eines Laserstrahis gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Gewährleistung eines minimalen Spiels zwischen den stumpf zu verschweißenden Blechen und die Vermeidung eines Aufgehens der Verbindung nach dem Verschweißen der Bleche.

Claims

1. Verfahren zur Stumpfschweißung von Blechen (1, 2) mittels eines Laserstrahls, nach welchem man auf die Bleche (1, 2) eine Kraft F in Richtung auf die Verbindungsebene (3) ausübt, die so festgelegt ist, daß der Berühdruck P zwischen den Blechen an allen Punkten der Verbindungsebene (3) zwischen dem 0,05-fachen der Elastizitätsgrenze Re des Bleches (1 oder 2), das die geringste Elastizitätgsrenze hat, und dem Beuldruck Pf des Bleches (1 oder 2), das den kleinsten Beuldruck hat, liegt, wobei eine Schweißverbindung an der Verbindungsebene (3) durch lokales Schmelzen der Bleche (1, 2) mittels des Laserstrahls durchgeführt wird.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührdruck P zwischen den Blechen (1, 2) abhängig von der Stelle, wo er sich in Bezug auf die Enden (6, 7) der Verbindungsebene (3) der Bleche ausbildet, veränderlich ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck P zwischen den Blechen (1, 2) einen größeren Wert P2 an den Punkten der Verbindungsebene (3), die ein großes Spiel aufweisen, hat, als es ein Wert P1 an den Punkten, für welche das Spiel minimal oder null ist, ist.

4. Schweißverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührdruck P zwischen den Blechen (1, 2) einen Minimalwert P1 in der Nähe der Enden (6, 7) der Verbindungsebene (3) der Bleche und einen Maximalwert (P2) in der Nähe der Mitte der Verbindungsebene (3) hat.

5. Schweißverfahren nach irgendeinen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimaldruck (P1) gleich dem 0,05-fachen der Elastizitätsgrenze Re des Bleches (1 oder 2), das die geringste Elastizitätsgrenze hat, und der Maximaldruck P2 gleich dem Beuldruck P1 des Bleches (1 oder 2), das den kleinsten Beuldruck hat, ist.