DE102017117992A1 - LASER WELDING FROM THE LIGHT OF OVERLAPPING METALWORK WORKPIECES USING SPIRAL STRUCTURES - Google Patents

LASER WELDING FROM THE LIGHT OF OVERLAPPING METALWORK WORKPIECES USING SPIRAL STRUCTURES Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels offenbart, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält. Das offenbarte Verfahren umfasst das Lenken eines Laserstrahls auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels, um ein Schmelzbad aus Metallschmelze und optional ein Schlüsselloch zu erzeugen, und ferner das Kreisenlassen des Laserstrahls, um einen Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer spiralförmigen Strecke zu bewegen, die eine zentrale Spiralenachse aufweist, die quer zu der oberen und unteren Oberfläche des Werkstückstapels orientiert ist. Das Kreisenlassen des Laserstrahls kann auch praktiziert werden, um den Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken zu bewegen, um den Brennpunkt abwechselnd in eine erste insgesamt axiale Richtung und eine zweite insgesamt axiale Richtung vorwärts und zurück zu befördern, während der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird.A method for laser welding a stack of workpieces containing two or more overlapping metal workpieces is disclosed. The disclosed method includes directing a laser beam at an upper surface of the workpiece stack to produce a molten metal molten pool and optionally a keyhole, and further circularizing the laser beam to move a focal point of the laser beam along a spiral path defining a central spiral axis which is oriented transversely to the upper and lower surfaces of the stack of workpieces. Circulating the laser beam may also be practiced to move the focus of the laser beam along a plurality of helical paths to advance and retract the focus alternately in a first overall axial direction and a second overall axial direction while the laser beam is relative to the upper surface of the workpiece stack is advanced along a beam movement pattern.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nr. 62/373,432, die am 11. August 2016 eingereicht wurde. Der gesamte Offenbarungsgehalt der vorstehend erwähnten vorläufigen Anmeldung ist durch Bezugnahme hier mit aufgenommen.This application claims the benefit of US Provisional Application No. 62 / 373,432, filed on Aug. 11, 2016. The entire disclosure of the above-mentioned provisional application is incorporated herein by reference.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und insbesondere ein Verfahren zum Zusammenschweißen von zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall durch Laser, bei welchem alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Stapel Werkstücke aus Stahl oder Werkstücke aus Aliminium sind.The technical field of this disclosure relates generally to laser welding, and more particularly to a method of laser welding together two or more overlapping metal workpieces in which all overlapping metal workpieces in the stack are steel workpieces or aliminium workpieces.

EINLEITUNGINTRODUCTION

Laserschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei welchem ein Laserstrahl auf einen Stapel aus Werkstücken aus Metall gelenkt wird, um eine konzentrierte Energiequelle bereitzustellen, die zum Bewirken einer Schweißfügestelle zwischen den sich überlappenden einzelnen Werkstücken aus Metall in der Lage ist. Im Allgemeinen werden zunächst zwei oder mehr Werkstücke aus Metall relativ zueinander ausgerichtet und gestapelt, sodass sich ihre Stoßoberflächen überlappen und gegenüberliegen, um eine (oder mehrere) Stoßschnittstellen herzustellen, die sich durch einen beabsichtigten Schweißort hindurch erstreckt bzw. erstrecken. Dann wird ein Laserstrahl zu einer oberen Oberfläche des Werkstückstapels hingelenkt und trifft darauf auf. Die Wärme, die durch die Absorption von Energie von dem Laserstrahl erzeugt wird, leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall nach unten durch das Werkstück aus Metall hindurch, auf das der Laserstrahl auftrifft, ein, und in das bzw. die darunterliegenden Werkstücke aus Metall bis zu einer Tiefe, die jede der gebildeten Stoßschnittstellen schneidet. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls groß genug ist, wird innerhalb des Werkstückstapels ein ”Schlüsselloch” erzeugt. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, die Plasma enthalten kann, das von den Werkstücken aus Metall stammt. Das Schlüsselloch ist von geschmolzenem Metall des Werkstücks umgeben und ist ein effektiver Absorber von Energie von dem Laserstrahl, wodurch ein tiefes und schmales Eindringen von geschmolzenem Metall des Werkstücks in den Stapel hinein im Vergleich mit Fällen ermöglicht wird, bei denen kein Schlüsselloch vorhanden ist.Laser welding is a metal joining process in which a laser beam is directed onto a stack of metal workpieces to provide a concentrated energy source capable of effecting a weld joint between the overlapping individual metal workpieces. Generally, first, two or more metal workpieces are aligned and stacked relative to each other so that their butt surfaces overlap and face each other to produce one (or more) impact interfaces that extend through an intended weld location. Then, a laser beam is directed to an upper surface of the workpiece stack and impinges thereon. The heat generated by the absorption of energy from the laser beam initiates the melting of the metal workpieces down through the metal workpiece on which the laser beam impinges, and into the underlying metal workpieces to a depth that intersects each of the formed impact interfaces. And when the power density of the laser beam is large enough, a "keyhole" is created within the stack of workpieces. A keyhole is a pillar of vaporized metal that may contain plasma derived from the metal workpieces. The keyhole is surrounded by molten metal of the workpiece and is an effective absorber of energy from the laser beam, thereby enabling deep and narrow penetration of molten metal of the workpiece into the stack as compared to cases where there is no keyhole.

Der Laserstrahl lässt die Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel in sehr kurzer Zeit schmelzen, sobald er auf die obere Oberfläche des Stapels auftrifft. Nach dem anfänglichen Schmelzen der Werkstücke aus Metall kann der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang einer vordefinierten Strecke voran bewegt werden, welche ein beliebiges einer großen Vielfalt von geometrischen Profilen annehmen kann. Wenn der Laserstrahl entlang der oberen Oberfläche des Stapels voran bewegt wird, fließt das geschmolzene Metall der Werkstücke innerhalb des Werkstückstapels um den sich voran bewegenden Laserstrahl herum und dahinter. Dieses eindringende geschmolzene Metall der Werkstücke kühlt schnell ab und erstarrt zu einem wieder erstarrten Werkstückmetallmaterialverbund. Schließlich wird das Übertragen des Laserstrahls auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels beendet, wobei das Schlüsselloch, falls vorhanden, zu diesem Zeitpunkt zusammenfällt und jegliches geschmolzene Werkstückmetall, das noch in dem Stapel vorhanden ist, erstarrt. Der gemeinsame wieder erstarrte Werkstückmetallmaterialverbund, der durch den Betrieb des Laserstrahls erhalten wurde, bildet eine Laserstrahlschweißfügestelle, das die sich überlappenden Werkstücke aus Metall durch autogenes Schmelzschweißen miteinander verschweißt.The laser beam melts the metal workpieces in the stack of workpieces in a very short time as it strikes the top surface of the stack. After the initial melting of the metal workpieces, the laser beam may be advanced relative to the upper surface of the workpiece stack along a predefined distance, which may take on any of a wide variety of geometric profiles. As the laser beam is advanced along the upper surface of the stack, the molten metal of the workpieces within and around the workpiece stack flows around and around the advancing laser beam. This penetrating molten metal of the workpieces cools rapidly and solidifies to a re-solidified workpiece metal material composite. Finally, the transfer of the laser beam to the upper surface of the workpiece stack is terminated, with the keyhole, if any, collapsing at that time and any molten workpiece metal still present in the stack solidifies. The joint re-solidified workpiece metal composite obtained by the operation of the laser beam forms a laser beam weld joint which welds the overlapping metal workpieces together by autogenous fusion welding.

Die Kraftfahrzeugindustrie ist an der Nutzung von Laserschweißen interessiert, um Teile herzustellen, die in einem Fahrzeug verbaut werden können. In einem Beispiel kann ein Körper einer Fahrzeugtür aus einem Innentürblech und einem Außentürblech hergestellt werden, die durch eine Vielzahl von Laserschweißfügestellen zusammengefügt sind. Die Innen- und Außentürbleche werden zunächst relativ zueinander gestapelt und durch Klemmvorrichtungen an Ort und Stelle befestigt. Dann wird ein Laserstrahl sequentiell an mehrere Schweißorte entlang der gestapelten Bleche in Übereinstimmung mit einer programmierten Sequenz gelenkt, um die Vielzahl von Laserschweißfügestellen auszubilden. Der Prozess des Laserschweißens von Innen- und Außentürblechen – sowie von anderen Fahrzeugkomponententeilen, etwa denjenigen, die verwendet werden, um Motorhauben, Kofferraumdeckel, Karosseriestrukturen wie etwa Längs- und Querstreben, lasttragende Strukturelemente, Motorräume usw. herzustellen –, ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann. Der vorstehend erwähnte Wunsch zum Zusammenschweißen von Werkstücken aus Metall durch Laser ist nicht auf die Kraftfahrzeugindustrie beschränkt; in der Tat erstreckt er sich auf andere Industrien, die das Laserschweißen möglicherweise nutzen, und die unter anderem die Flugzeug-, Schifffahrts-, Eisenbahn- und Hochbauindustrie umfassen.The automotive industry is interested in using laser welding to make parts that can be installed in a vehicle. In one example, a body of a vehicle door may be fabricated from an inner door panel and an outer door panel joined together by a plurality of laser welding cradles. The inner and outer door panels are first stacked relative to each other and secured in place by clamping devices. Then, a laser beam is sequentially directed to a plurality of welding sites along the stacked sheets in accordance with a programmed sequence to form the plurality of laser welding stubs. The process of laser welding interior and exterior door panels - as well as other vehicle component parts, such as those used to manufacture engine hoods, trunk lids, body structures such as longitudinal and transverse struts, load bearing structural members, engine compartments, etc. - is typically an automated process. which can be executed quickly and efficiently. The above-mentioned desire for laser welding of metal workpieces is not limited to the automotive industry; in fact, it extends to other industries that may be using laser welding, including the aerospace, marine, railways and construction industries.

Die Verwendung des Laserschweißens zum Zusammenfügen bestimmter Werkstücke aus Metall, die in der Fertigungspraxis oft verwendet werden, kann zu Problemen führen. Beispielsweise enthalten Werkstücke aus Stahl oftmals eine auf Zink beruhende Oberflächenbeschichtung (z. B. Zink oder eine Zink-Eisen-Legierung) zum Korrosionsschutz. Zink weist einen Siedepunkt von etwa 906°C auf, während der Schmelzpunkt des darunterliegenden Stahlsubstrats, das es beschichtet, typischerweise größer als 1300°C ist. Wenn folglich ein Werkstück aus Stahl, das eine auf Zink beruhende Oberflächenbeschichtung enthält, mit Laser geschweißt wird, werden leicht Zinkdämpfe unter hohem Druck an den Oberflächen des Werkstücks aus Stahl erzeugt und diese weisen die Tendenz zum Unterbrechen des Laserschweißprozesses auf. Insbesondere können die an der bzw. den Stoßschnittstellen der Werkstücke aus Stahl erzeugten Zinkdämpfe in die durch den Laserstrahl erzeugte Strahlschmelze hinein diffundieren, sofern kein alternativer Fluchtweg durch den Werkstückstapel hindurch bereitgestellt wird. Wenn kein angemessener Fluchtweg bereitgestellt wird, kann es sein, dass Zinkdämpfe in der Stahlschmelze eingeschlossen bleiben, wenn diese abkühlt und erstarrt, was zu Defekten in der resultierenden Laserschweißfügestelle führen kann – etwa Porosität – sowie zu anderen Störungen von Schweißfügestellen, die Gasblasen, Spritzer und Hinterschneidungsfügestellen umfassen. Diese Mängel bei der Schweißfügestelle können, wenn sie gravierend genug sind, die mechanischen Eigenschaften der Laserschweißfügestelle auf unbefriedigende Weise verschlechtern. The use of laser welding to join certain metal workpieces, which are often used in manufacturing practice, can lead to problems. For example, steel workpieces often contain a zinc-based surface coating (eg, zinc or a zinc-iron alloy) for corrosion protection. Zinc has a boiling point of about 906 ° C, while the melting point of the underlying steel substrate coating it is typically greater than 1300 ° C. Thus, when a steel workpiece containing a zinc-based surface coating is laser-welded, zinc fumes are easily generated under high pressure on the surfaces of the steel workpiece, and these tend to interrupt the laser welding process. In particular, the zinc vapors generated at the impact interface (s) of the steel workpieces may diffuse into the jet melt generated by the laser beam unless an alternative escape route is provided through the stack of workpieces. If an adequate escape route is not provided, zinc fumes may remain trapped in the molten steel as it cools and solidifies, which can lead to defects in the resulting laser weld joint - such as porosity - as well as other perturbations of weld joints, gas bubbles, spatters, and Undercut frames include. These defects in the weld joint can, if severe enough, degrade the mechanical properties of the laser weld joint unsatisfactorily.

Werkstücke aus Stahl, die in der Herstellungspraxis verwendet werden, können auch andere Typen von Oberflächenbeschichtungen anstelle von auf Zink beruhenden Beschichtungen aus Gründen des Verhaltens enthalten. Andere erwähnenswerte Oberflächenbeschichtungen umfassen auf Aluminium beruhende Beschichtungen wie etwa Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung, um nur ein paar Beispiele zu erwähnen. Im Gegensatz zu auf Zink beruhenden Oberflächenbeschichtungen sieden auf Aluminium beruhende Oberflächenbeschichtungen nicht bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von Stahl, sodass es unwahrscheinlich ist, dass sie Dämpfe unter hohem Druck an der bzw. den Stoßschnittstellen des Werkstückstapels erzeugen. Trotz dieser Tatsache können diese Oberflächenbeschichtungen geschmolzen werden, speziell, wenn ein Schlüsselloch vorhanden ist, und sie können in dem geschmolzenen Zustand mit der Stahlschmelze kombinieren, die von der Masse der Werkstücke aus Stahl stammt. Das Einbringen von derart unterschiedlichen geschmolzenen Materialien in die Stahlschmelze kann zu einer Vielfalt von Schweißdefekten führen, die das Potential zum Verschlechtern der mechanischen Eigenschaften der Laserschweißfügestelle aufweisen. Beispielsweise können Aluminiumschmelzen oder Aluminiumlegierungen (z. B. AlSi-, AlZn- oder AlMg-Legierungen) die Reinheit der Stahlschmelze verringern und spröde Zwischenmetallphasen aus Fe-Al in der Schweißfügestelle ausbilden sowie das Abkühlverhalten der Stahlschmelze negativ beeinflussen.Steel workpieces used in manufacturing practice may also contain other types of surface coatings instead of zinc-based coatings for behavioral reasons. Other surface coatings of note include aluminum-based coatings such as aluminum, an aluminum-silicon alloy, an aluminum-zinc alloy, or an aluminum-magnesium alloy, to mention just a few examples. Unlike zinc-based surface coatings, aluminum-based surface coatings do not boil at a temperature below the melting point of steel, so they are unlikely to generate high pressure vapors at the abutting interfaces of the workpiece stack. Despite this fact, these surface coatings can be melted, especially if there is a keyhole, and they can combine in the molten state with the molten steel originating from the bulk of the steel workpieces. The introduction of such different molten materials into the molten steel may result in a variety of weld defects having the potential to degrade the mechanical properties of the laser weld joint. For example, aluminum melts or aluminum alloys (eg AlSi, AlZn or AlMg alloys) can reduce the purity of the molten steel and form brittle intermetallic phases of Fe-Al in the weld joint and adversely affect the cooling behavior of the molten steel.

Werkstücke aus Aluminium sind ein weiterer faszinierender Kandidat für viele Kraftfahrzeugkomponententeile und Strukturen aufgrund ihrer hohen Festigkeits-Masse-Verhältnisse und ihrer Fähigkeit zum Verbessern der Kraftstoffsparsamkeit des Fahrzeugs. Jedoch enthalten Werkstücke aus Aluminium fast immer eine Oberflächenbeschichtung, die ein darunterliegendes Aluminiummassensubstrat bedeckt. Diese Beschichtung kann eine hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich passiv bildet, wenn unbehandeltes Aluminium der Luft der Atmosphäre oder irgendeinem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Diese hitzebeständigen Oxidoberflächenbeschichtungen bestehen aus Aluminiumoxiden sowie potentiell anderen Metalloxiden. In anderen Fällen kann die Oberflächenbeschichtung eine metallische Beschichtung sein, die Zink oder Zinn umfasst, oder sie kann eine Metalloxidkonversionsbeschichtung sein, die Oxide aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium umfasst, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nummer US 2014/0360986 offenbart ist, deren gesamter Offenbarungsgehalt hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Die Oberflächenbeschichtung verhindert eine Korrosion des darunterliegenden Aluminiumsubstrats durch einen beliebigen einer Vielfalt von Mechanismen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung und sie kann auch andere günstige Verbesserungen bereitstellen.Aluminum workpieces are another intriguing candidate for many automotive component parts and structures because of their high strength-to-mass ratios and their ability to improve fuel economy of the vehicle. However, aluminum workpieces almost always contain a surface coating covering an underlying aluminum bulk substrate. This coating can be a refractory oxide coating that forms passively when untreated aluminum is exposed to the air in the atmosphere or any other oxygen-containing medium. These refractory oxide surface coatings consist of aluminas as well as potentially other metal oxides. In other instances, the surface coating may be a metallic coating comprising zinc or tin or it may be a metal oxide conversion coating comprising oxides of titanium, zirconium, chromium or silicon, as disclosed in U.S. Patent Application Number US 2014/0360986 , the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. The surface coating prevents corrosion of the underlying aluminum substrate by any of a variety of mechanisms depending on the composition of the coating, and may also provide other beneficial improvements.

Eines der Hauptprobleme, die das Laserschweißen von Werkstücken aus Aluminium betrifft, ist die relativ hohe Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminiumschmelze. Beim Erstarren der Aluminiumschmelze wird gelöster Wasserstoff eingeschlossen, was zu Porosität in der Laserschweißfügestelle führt. Zusätzlich zu den Problemen, die sich durch die Löslichkeit von Wasserstoff ergeben, wird vermutet, dass die Oberflächenbeschichtung, die üblicherweise in den Werkstücken aus Aluminium enthalten ist, zu der Ausbildung von Schweißdefekten in der Laserschweißfügestelle beiträgt. Wenn die Oberflächenbeschichtung von einem oder mehreren der Werkstücke aus Aluminium beispielsweise eine hitzebeständige Oxidbeschichtung ist, können Oxidrückstände die durch den Laserstrahl erzeugte Aluminiumschmelze aufgrund des hohen Schmelzpunkts und der mechanischen Festigkeit der Beschichtung kontaminieren. Wenn bei einem anderen Beispiel die Oberflächenbeschichtung Zink ist, kann die Beschichtung leicht verdampfen, um Zinkdämpfe mit hohem Druck zu erzeugen, die in die Aluminiumschmelze und durch diese hindurch diffundieren können, wodurch sie zu Porosität innerhalb der Schweißfügestelle und zu anderen Schweißmängeln führen, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden, um die Zinkdämpfe von dem Schweißort weg zu entlüften. Außerdem kann eine Vielfalt von anderen Problemen den Laserschweißprozess auf eine Weise verkomplizieren, die die mechanischen Eigenschaften der Laserschweißfügestelle nachteilig beeinflusst.One of the major problems that laser welding aluminum workpieces involves is the relatively high solubility of hydrogen in molten aluminum. As the aluminum melt solidifies, dissolved hydrogen is trapped, resulting in porosity in the laser weld joint. In addition to the problems arising from the solubility of hydrogen, it is believed that the surface coating commonly contained in the aluminum workpieces contributes to the formation of weld defects in the laser weld joint. For example, if the surface coating of one or more of the aluminum workpieces is a refractory oxide coating, oxide residues may contaminate the aluminum melt produced by the laser beam due to the high melting point and mechanical strength of the coating. In another example, if the surface coating is zinc, the coating can easily evaporate to produce high pressure zinc vapors which flow into the aluminum melt and through they can diffuse through, causing porosity within the weld joint and other weld defects if no provision is made to vent the zinc vapors away from the weld location. In addition, a variety of other problems may complicate the laser welding process in a manner that adversely affects the mechanical properties of the laser welding joint.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wird offenbart. Der Werkstückstapel enthält zwei oder mehrere Werkstücke aus Metall, wobei alle Werkstücke aus Metall in dem Stapel Werkstücke aus Stahl oder Werkstücke aus Aluminium sind. Mit anderen Worten enthält der Werkstückstapel zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl oder zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Aluminium. Die verschiedenen Werkstücke aus Metall, die in jedem der vorstehend erwähnten Werkstückstapel enthalten sind, führen zu Problemen, wenn versucht wird, die Werkstücke mit einem Laserstrahl zusammenzufügen. Das offenbarte Laserschweißverfahren versucht, diesen Problemen entgegenzuwirken, indem der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um einen Brennpunkt des Laserstrahls entlang mindestens einer spiralförmigen Strecke zu bewegen. Ein Manövrieren des Laserstrahls auf diese Weise trägt zum Erzielen von Laserschweißfügestellen mit guten mechanischen Eigenschaften bei. Das offenbarte Laserschweißverfahren kann ausgeführt werden, ohne dass es die herkömmliche Industriepraxis des absichtlichen Anordnens von Lücken zwischen den Werkstücken aus Metall an der bzw. den Stoßschnittstellen benötigt – aber diese selbstverständlich nicht verhindert –, typischerweise durch Ritzenbildung mit Laser oder mechanische Dellenbildung, als einen Mechanismus, um zu versuchen, die Diffusion von Dämpfen in das geschmolzene Werkstückmetall hinein abzumildern.A method for laser welding a stack of workpieces containing overlapping workpieces of metal is disclosed. The workpiece stack contains two or more metal workpieces, with all metal workpieces in the stack being steel workpieces or aluminum workpieces. In other words, the workpiece stack contains two or more overlapping workpieces of steel or two or more overlapping workpieces of aluminum. The various metal workpieces contained in each of the aforementioned workpiece stacks cause problems when trying to join the workpieces with a laser beam. The disclosed laser welding method attempts to counteract these problems by circulating the laser beam to move a focal point of the laser beam along at least one helical path. Maneuvering the laser beam in this manner helps to achieve laser welding cradles with good mechanical properties. The disclosed laser welding method can be practiced without requiring the conventional industrial practice of intentionally placing gaps between the metal workpieces at the butt interfaces, but not, of course, by laser scribing or mechanical dents as a mechanism to try to mitigate the diffusion of vapors into the molten workpiece metal.

Das offenbarte Laserschweißverfahren umfasst das Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält (z. B. zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl oder Aluminium). Die Werkstücke aus Metall werden so hergerichtet und miteinander gestapelt, dass eine Stoßschnittstelle zwischen den Stoßoberflächen eines jeden Paars von benachbarten sich überlappenden Werkstücken aus Metall an einem Schweißort ausgebildet wird. Zum Beispiel enthält in einer Ausführungsform der Werkstückstapel erste und zweite Werkstücke aus Metall mit ersten bzw. zweiten Stoßoberflächen, die sich überlappen und einander gegenüberliegen, um eine einzelne Stoßschnittstelle herzustellen. In einer anderen Ausführungsform enthält der Werkstückstapel ein zusätzliches drittes Werkstück aus Metall, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall angeordnet ist. Auf diese Weise weisen die ersten und zweiten Werkstücke aus Metall erste bzw. zweite Stoßoberflächen auf, die sich überlappen und entgegengesetzt angeordneten Stoßoberflächen des dritten Werkstücks aus Metall gegenüberliegen, um zwei Stoßschnittstellen herzustellen. Wenn ein drittes Werkstück aus Metall vorhanden ist, können das erste und zweite Werkstück aus Metall separate und getrennte Teile sein oder sie können alternativ verschiedene Abschnitte des gleichen Teils sein, etwa wenn ein Rand eines Teils über einen freien Rand eines anderen Teils gefaltet wird.The disclosed laser welding method includes providing a stack of workpieces containing two or more overlapping workpieces of metal (eg, two or more overlapping workpieces of steel or aluminum). The metal workpieces are prepared and stacked together to form a butt interface between the butt surfaces of each pair of adjacent overlapping metal workpieces at a weld location. For example, in one embodiment, the workpiece stack includes first and second metal workpieces having first and second abutment surfaces, respectively, that overlap and face each other to produce a single abutment interface. In another embodiment, the workpiece stack includes an additional third metal workpiece disposed between the first and second metal components. In this way, the first and second metal workpieces have first and second abutting surfaces, respectively, which overlap and oppose oppositely disposed abutting surfaces of the third metal workpiece to produce two abutting interfaces. When a third metal workpiece is present, the first and second metal workpiece may be separate and separate parts, or alternatively may be different sections of the same part, such as when one edge of one part is folded over a free edge of another part.

Nachdem der Werkstückstapel zusammengesetzt und bereitgestellt ist, wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt. Der Laserstrahl trifft auf die obere Oberfläche an einem Strahlpunkt auf. Der Begriff ”Strahlpunkt” bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, weit gefasst den Schnittoberflächenbereich des Laserstrahls, wenn er auf eine Ebene projiziert wird, die entlang der oberen Oberfläche des Werkstückstapels orientiert ist. Die fokussierte Energie des Laserstrahls wird von den Werkstücken aus Metall absorbiert, um ein Schmelzbad aus Metallschmelze zu erzeugen, das in den Werkstückstapel hinein von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin eindringt, wobei jede Stoßschnittstelle geschnitten wird, die in dem Stapel gebildet ist. Die Leistungsdichte des gelieferten Laserstrahls ist so gewählt, dass die Praxis des Laserschweißens entweder in einem Wärmeleitschweißmodus oder einem Schlüssellochschweißmodus ausgeführt wird. Im Wärmeleitschweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls relativ niedrig und die Energie des Laserstrahls wird als Wärme durch die Werkstücke aus Metall hindurch geleitet, um nur das Schmelzbad aus Metallschmelze zu erzeugen. Im Schlüssellochschweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug, um die Werkstücke aus Metall unter dem Strahlpunkt des Laserstrahls verdampfen zu lassen, um ein Schlüsselloch zu erzeugen, das von dem Schmelzbad aus Metallschmelze umgeben ist. Das Schlüsselloch stellt einen Kanal zu effizienten Energieabsorption tiefer in den Werkstückstapel hinein bereit, was wiederum ein tieferes und engeres Eindringen des Schmelzbads aus Metallschmelze ermöglicht. Das Schmelzbad aus Metallschmelze und das Schlüsselloch, falls vorhanden, können den Werkstückstapel vollständig oder teilweise durchdringen.After the workpiece stack is assembled and provided, a laser beam is directed onto an upper surface of the workpiece stack. The laser beam impinges on the upper surface at a beam spot. As used herein, the term "beam spot" broadly refers to the cutting surface area of the laser beam when projected onto a plane oriented along the top surface of the workpiece stack. The focused energy of the laser beam is absorbed by the metal workpieces to produce a molten metal pool that penetrates into the workpiece stack from the top surface toward the bottom surface, cutting each butt interface formed in the stack , The power density of the supplied laser beam is selected so that the practice of laser welding is performed in either a heat conduction welding mode or a keyhole welding mode. In the thermal conduction mode, the power density of the laser beam is relatively low, and the energy of the laser beam is passed as heat through the metal workpieces to produce only the molten metal melt pool. In keyhole welding mode, the power density of the laser beam is high enough to cause the metal workpieces to evaporate below the beam spot of the laser beam to create a keyhole surrounded by the molten metal pool. The keyhole provides a channel deeper into the stack of workpieces for efficient energy absorption, allowing deeper and narrower penetration of molten metal melt pool. The molten metal pool and the keyhole, if any, may penetrate the workpiece stack completely or partially.

Im Bemühen, Wärme und Energie innerhalb des Werkstückstapels einheitlicher zu verteilen, und, falls zutreffend, das Schlüsselloch zu stabilisieren, wird der Laserstrahl kreisen gelassen, um einen Brennpunkt des Laserstrahls entlang mindestens einer spiralförmigen Strecke zu bewegen, die eine zentrale Spiralenachse aufweist, die quer zu der oberen und unteren Oberfläche des Stapels orientiert ist. Die spiralförmige Strecke kann viele unterschiedliche räumliche geometrische Gestalten aufweisen, solange nur eine Bewegung des Brennpunkts entlang der spiralförmigen Strecke dazu führt, dass sich der Brennpunkt um die zentrale Spiralenachse herum entlang einer Vielzahl von Windungen windet, wobei jede der Windungen einen Radius und einen Abstand, der parallel zu der zentralen Spiralenachse gemessen wird, aufweist, um dadurch den Brennpunkt in eine insgesamt axiale Richtung zu befördern. Die spiralförmige Strecke kann beispielsweise eine zylindrische spiralförmige Strecke, eine konische spiralförmige Strecke, eine spiralförmige Strecke, die einen oberen konischen spiralförmigen Abschnitt und einen unteren konischen spiralförmigen Abschnitt enthält, deren Windungsradius untereinander entweder zunimmt oder abnimmt, sowie eine Vielzahl weiterer spiralförmiger Geometrien, die nicht explizit erwähnt sind. Der Laserstrahl kann kreisen gelassen werden, um den Brennpunkt entlang einer einzigen spiralförmigen Strecke oder entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken zu bewegen. Das Bewegen des Brennpunkts entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken weist den Effekt auf, dass der Brennpunkt abwechselnd in insgesamt entgegengesetzte axiale Richtungen vor und zurück befördert wird.In an effort to more uniformly distribute heat and energy within the stack of workpieces and, if applicable, stabilize the keyhole, the laser beam is circulated to move a focal point of the laser beam along at least one helical path which is one central spiral axis which is oriented transversely to the upper and lower surfaces of the stack. The helical path can have many different spatial geometrical shapes as long as only movement of the focus along the helical path causes the focus to wind around the central helical axis along a plurality of turns, each of the turns having a radius and a distance, which is measured parallel to the central spiral axis, thereby to convey the focal point in an overall axial direction. For example, the spiral path may include a cylindrical spiral path, a conical spiral path, a spiral path that includes an upper conical spiral section and a lower conical spiral section whose winding radius either increases or decreases among each other, as well as a variety of other spiral geometries that are not explicitly mentioned. The laser beam may be orbited to move the focus along a single spiral path or along a plurality of spiral paths. The movement of the focal point along a plurality of helical paths has the effect that the focus is alternately conveyed back and forth in generally opposite axial directions.

Die Weise, auf welche das Kreisen des Laserstrahls zu dem Ausbilden einer Laserschweißfügestelle beiträgt, kann von der Größe der einen oder der mehreren spiralförmigen Strecken abhängen. Wenn der maximale Radius der Vielzahl von Windungen einer spiralförmigen Strecke beispielsweise relativ groß ist, etwa zwischen 2 mm und 20 mm liegt, bewirkt die Bewegung des Brennpunkts entlang der spiralförmigen Strecke typischerweise, dass der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels in einem zweidimensionalen Verlauf voran bewegt wird, der die Bewegung des Brennpunkts entlang der spiralförmigen Strecke wiedergibt. Wenn die spiralförmige Strecke beispielsweise eine zylindrische spiralförmige Stecke ist, bei welcher der Radius von jeder der Vielzahl von Windungen in einem Bereich von 2 mm bis 20 mm liegt, dann wird eine Bewegung des Brennpunkts des Laserstrahls entlang der zylindrischen spiralförmigen Strecke den Strahlpunkt wiederholt in einem definierten insgesamt kreisförmigen Verlauf auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voran bewegen. Wenn als weiteres Beispiel die spiralförmige Strecke eine konische spiralförmige Strecke mit einem maximalen Radius der Vielzahl von Windungen ist, der in einem Bereich zwischen 2 mm und 20 mm liegt, dann wird eine Bewegung des Brennpunkts des Laserstrahls entlang der konischen spiralförmigen Strecke den Strahlpunkt in einem definierten Spiralverlauf auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voran bewegen.The manner in which the circling of the laser beam contributes to the formation of a laser welding interface may depend on the size of the one or more spiral paths. For example, if the maximum radius of the plurality of turns of a helical path is relatively large, such as between 2 mm and 20 mm, the movement of the focal point along the helical path typically causes the beam spot of the laser beam to move relative to the top surface of the workpiece stack 2-dimensional course is advanced, which reflects the movement of the focal point along the spiral path. For example, if the spiral path is a cylindrical spiral plug in which the radius of each of the plurality of turns is in a range of 2 mm to 20 mm, then movement of the focal point of the laser beam along the cylindrical spiral path repeats the beam spot in one defined overall circular course on the upper surface of the workpiece stack move ahead. As another example, if the spiral path is a conical spiral path having a maximum radius of the plurality of turns that is in a range between 2 mm and 20 mm, then movement of the focal point of the laser beam along the conical spiral path becomes the beam spot in one defined spiral course on the upper surface of the workpiece stack move ahead.

Wenn der maximale Radius der Vielzahl von Windungen einer spiralförmigen Strecke andererseits relativ klein ist, etwa zwischen 50 μm und 2 mm liegt, trägt die Bewegung des Brennpunkts entlang der spiralförmigen Strecke wenig zur Bewegung des Strahlpunkts bei und spiegelt sich typischerweise nicht in einem definierten zweidimensionalen Verlauf auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels wieder. Um bei diesem Szenario eine Laserschweißfügestelle mit vernünftiger Größe zu erhalten, kann der Laserstrahl (und folglich der Strahlpunkt) entlang eines Strahlbewegungsmusters relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voran bewegt werden, während er kreisen gelassen wird, um den Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken zu bewegen, um den Brennpunkt abwechselnd vor und zurück in entgegengesetzte insgesamt axiale Richtungen zu befördern, während der Laserstrahl entlang des Bewegungsmusters voranschreitet. Das Strahlbewegungsmuster, dem der Laserstrahl folgt, kann ein lineares Stichmuster, ein gekrümmtes oder C-förmiges getackertes Muster, ein Spiralmuster, ein Kreismuster, ein elliptisches Muster, ein schwingendes Muster oder ein beliebiges anderes gewünschtes Strahlbewegungsmuster sein, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird. Das Kreisen des Laserstrahls, das stattfindet, während der Strahl entlang des Strahlbewegungsmusters voran bewegt wird, kann den Brennpunkt des Laserstrahls entlang von spiralförmigen Strecken mit der gleichen geometrischen Konfiguration bewegen, was bedeutet, dass jede spiralförmige Strecke in der Vielzahl von Strecken hinsichtlich der Größe und Geometrie gleich ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Vielzahl von spiralförmigen Strecken Strecken mit unterschiedlichen Größen und/oder geometrischen Konfigurationen enthalten.On the other hand, if the maximum radius of the plurality of turns of a helical path is relatively small, say, between 50 .mu.m and 2 mm, the movement of the focal point along the helical path contributes little to the movement of the beam spot and is typically not reflected in a defined two-dimensional course on the upper surface of the workpiece stack again. In this scenario, to obtain a reasonably sized laser welding cradle, the laser beam (and hence beam spot) may be advanced along a beam motion pattern relative to the top surface of the workpiece stack while being circled to focus the laser beam along a plurality of laser beams spiral paths to advance the focus alternately back and forth in opposite overall axial directions, as the laser beam proceeds along the movement pattern. The beam motion pattern followed by the laser beam may be a linear stitch pattern, a curved or C-shaped stapled pattern, a spiral pattern, a circular pattern, an elliptical pattern, a vibrating pattern, or any other desired beam motion pattern applied to the top surface of the workpiece stack is projected. The circling of the laser beam, which takes place while the beam is advanced along the beam motion pattern, can move the focal point of the laser beam along helical paths having the same geometric configuration, meaning that each helical path in the plurality of paths is in size and Geometry is the same. In an alternative embodiment, the plurality of helical stretches may include stretches of different sizes and / or geometric configurations.

Das Kreisen des Laserstrahls verschiebt, wie auch immer es implementiert ist, zusammen mit dem optionalen Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters das Schmelzbad aus Metallschmelze und das Schlüsselloch, falls vorhanden, entlang eines Verlaufs innerhalb des Stapels, der der mustergemäßen Bewegung des Laserstrahls (und damit des Strahlpunkts) relativ zu der oberen Oberfläche des Stapels entspricht. Eine derartige sich daraus ergebende Bewegung des Laserstrahls als Folge des Kreisenlassens des Laserstrahls und optional des Voranbewegens des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters bewirkt, dass das Schmelzbad aus Metallschmelze um den Laserstrahl herum und dahinter fließt – speziell, wenn ein Schlüsselloch vorhanden ist – und sich im Kielwasser an des Voranschreitens des Laserstrahls ausdehnt. In Abhängigkeit von der Größe und der Geometrie der spiralförmigen Strecken und der zweidimensionalen Geometrie des optionalen Strahlbewegungsmusters kann das Schmelzbad aus Metallschmelze hinter dem Voranschreiten des Laserstrahls zu einer definierten Spur erstarren, oder es kann zu einem größeren Schmelztümpel zusammenfließen und anwachsen, der zu einer konsolidierten Linse erstarrt. Unabhängig von seiner endgültigen Gestalt und Struktur umfasst der wiedererstarrte Werkstückmetallmaterialverbund, der aus dem Verschieben des Schmelzbads aus Metallschmelze durch den Werkstückstapel hindurch erhalten wird, Material von jedem der Werkstücke aus Metall, in das das Schmelzbad eingedrungen ist. Der gesamte wiedererstarrte Werkstückmetallmaterialverbund bildet die Laserschweißfügestelle, welche die Werkstücke miteinander durch autogenes Schmelzschweißen verschweißt.Whatever the implementation, the circling of the laser beam, along with the optional advancement of the laser beam along the beam motion pattern, shifts the molten metal pool and keyhole, if any, along a path within the stack that reflects the patterned motion of the laser beam (and thus the beam spot) relative to the top surface of the stack. Such consequent movement of the laser beam as a result of the orbiting of the laser beam and optionally advancing the laser beam along the beam motion pattern causes the molten bath of molten metal to flow around and behind the laser beam - especially if a keyhole is present - and in the wake at the progress of the laser beam expands. Depending on the size and geometry of the spiral stretches and the two-dimensional geometry of the optional beam motion pattern, the molten bath of molten metal may be behind solidifying as the laser beam advances to a defined track, or it may converge and grow into a larger pool of melt that solidifies into a consolidated lens. Regardless of its final shape and structure, the re-solidified workpiece metal material composite obtained by displacing the molten metal bath through the stack of workpieces includes material from each of the metal workpieces into which the molten bath has penetrated. The entire re-solidified workpiece metal material composite forms the laser welding joint, which welds the workpieces together by autogenous fusion welding.

Es wird vermutet, dass das Kreisenlassen des Laserstrahls die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Laserschweißfügestelle positiv beeinflusst. Im Speziellen verändert die Bewegung des Brennpunkts des Laserstrahls entlang der spiralförmigen Strecken kontinuierlich die Größe des Strahlpunkts des Laserstrahls, was wiederum die Bestrahlungsstärke bzw. Irradianz (auch als Intensität oder Leistungsdichte bekannt) des Laserstrahls an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels über die Zeitspanne hinweg verändert, in der der Brennpunkt entlang der spiralförmigen Strecken bewegt wird. Diese Varianzen der Irradianz des Laserstrahls können – sei es durch eine Zunahme der Irradianz oder eine Abnahme der Irradianz an der oberen Oberfläche des Stapels – zum Realisieren einer konsistenteren und einheitlicheren Wärmeeingabe in den Werkstückstapel unter dem Strahlpunkt beitragen. Eine konsistentere und einheitlichere Wärmeeingabe kann das Stabilisieren des Schmelzbads aus Metallschmelze und des Schlüssellochs, falls vorhanden, unterstützen und sie kann ferner eine Verdampfung von Zink (bei Werkstücken aus Stahl) verlangsamen und zum Beseitigen des Aufbauens von Wärme beitragen, welcher ein wesentlicher Faktor für Ausschuss-Schweißstellen ist, da die spiralförmigen Strecken inhärent die lokale Absorption von Laserstrahlenergie und die Konzentration von Wärme innerhalb des Werkstückstapels neutralisieren. Zudem kann die Bewegung des Brennpunkts entlang der spiralförmigen Strecken bewirken, dass das Schmelzbad aus Metallschmelze aufgerührt wird, und damit dazu beitragen, das Freisetzen von Gasen zu fördern, die in dem Schmelzmaterial des Schmelzbads eingeschlossen sind, wodurch das Ausbilden von Porositäten in der erhaltenen Laserschweißfügestelle verhindert wird.It is assumed that the letting of the laser beam has a positive influence on the mechanical properties of the obtained laser welding joint. Specifically, the movement of the focal point of the laser beam along the spiral paths continuously changes the size of the beam spot of the laser beam, which in turn alters the irradiance (also known as intensity or power density) of the laser beam at the top surface of the workpiece stack over time, in which the focal point is moved along the spiral paths. These variances in the Irradianz of the laser beam, whether due to an increase in Irradianz or a decrease in Irradianz on the upper surface of the stack, can contribute to realizing a more consistent and uniform heat input into the stack of work under the beam spot. More consistent and consistent heat input can aid in stabilizing the melted molten metal pool and the keyhole, if any, and can also slow down evaporation of zinc (steel workpieces) and help eliminate the build-up of heat, which is a significant factor in rejects Welds is because the spiral stretches inherently neutralize the local absorption of laser beam energy and the concentration of heat within the workpiece stack. In addition, the movement of the focal point along the helical paths may cause the molten metal pool to be agitated and thereby help to promote the release of gases trapped in the molten metal of the molten pool, thereby forming porosities in the resulting laser welding joint is prevented.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne zum Ausbilden einer Laserschweißfügestelle innerhalb eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei die Laserschweißfügestelle die zwei oder mehr Werkstücke aus Metall miteinander durch Schmelzschweißen verbindet; 1 Fig. 12 is a perspective view of an embodiment of a remote laser welding apparatus for forming a laser welding joint within a stack of workpieces containing two or more overlapping metal workpieces, the laser welding joint joining the two or more metal workpieces together by fusion welding;

2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Metallschmelze und einem Schlüsselloch, die durch einen Laserstrahl erzeugt werden, wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch den Werkstückstapel vollständig durchdringen; 2 is a side view in cross section of the in 1 the workpiece stack shown together with a melt pool of molten metal and a keyhole, which are generated by a laser beam, wherein both the molten metal bath and the keyhole completely penetrate the workpiece stack;

2A ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Metallschmelze und einem Schlüsselloch, die durch einen Laserstrahl erzeugt werden, wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch den Werkstückstapel teilweise durchdringen; 2A is a side view in cross section of the in 1 the illustrated workpiece stack together with a melt pool of molten metal and a keyhole, which are generated by a laser beam, wherein both the molten pool of molten metal and the keyhole partially penetrate the workpiece stack;

3 ist eine Draufsicht auf einen Schnitt (entlang einer Schnittlinie 3-3 in 2) eines Strahlpunkts des Laserstrahls, der auf eine Ebene projiziert ist, die entlang der oberen Oberfläche des Werkstückstapels orientiert ist; 3 is a plan view of a section (along a section line 3-3 in 2 ) a beam spot of the laser beam projected on a plane oriented along the upper surface of the workpiece stack;

4 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels, die eine repräsentative spiralförmige Strecke veranschaulicht, entlang welcher ein Brennpunkt des Laserstrahls während eines Kreisenlassens des Laserstrahls bewegt wird, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Laserschweißverfahrens; 4 FIG. 12 is a cross-sectional view of the workpiece stack illustrating a representative helical path along which a focal point of the laser beam is moved during circular motion of the laser beam, in accordance with one embodiment of the disclosed laser welding method; FIG.

5 ist eine perspektivische Seitenansicht einer zylindrischen spiralförmigen Strecke, entlang welcher ein Brennpunkt des Laserstrahls während des Kreisenlassens des Laserstrahls bewegt wird, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Laserschweißverfahrens; 5 Fig. 12 is a side perspective view of a cylindrical spiral path along which a focal point of the laser beam is moved during circular motion of the laser beam, in accordance with an embodiment of the disclosed laser welding process;

6 ist eine perspektivische Seitenansicht einer konischen spiralförmigen Strecke, entlang welcher ein Brennpunkt des Laserstrahls während des Kreisenlassens des Laserstrahls bewegt wird, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Laserschweißverfahrens; 6 Figure 11 is a side perspective view of a conical spiral path along which a focal point of the laser beam is moved during circular motion of the laser beam, in accordance with an embodiment of the disclosed laser welding process;

7 ist eine perspektivische Seitenansicht einer spiralförmigen Strecke, welche einen oberen konischen spiralförmigen Abschnitt und einen unteren konischen spiralförmigen Abschnitt enthält, und entlang welcher ein Brennpunkt des Laserstrahls während des Kreisenlassens des Laserstrahls bewegt wird, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Laserschweißverfahrens; 7 Fig. 12 is a side perspective view of a helical path including an upper conical spiral section and a lower conical spiral section and along which a focal point of the laser beam is moved during circular motion of the laser beam in accordance with an embodiment of the disclosed laser welding method;

8 ist eine allgemeine repräsentative Darstellung eines Strahlbewegungsmusters, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird, dem der Laserstrahl in einer Ausführungsform des Laserschweißverfahrens folgen kann, während der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um den Brennpunkt des Strahls entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken zu bewegen, um den Brennpunkt abwechselnd rückwärts und vorwärts in insgesamt entgegengesetzte axiale Richtungen zu befördern, während der Laserstrahl entlang des Bewegungsmusters fortschreitet; 8th Figure 11 is a general representative illustration of a beam motion pattern projecting onto the top surface of the workpiece stack in one embodiment of the laser welding process, while the laser beam is being circled to move the focal point of the beam along a plurality of spiral paths to alternately convey the focal point backwards and forwards in generally opposite axial directions the laser beam advances along the movement pattern;

9 ist eine Querschnittsansicht (entlang einer Schnittlinie 9-9 in 8) der allgemeinen repräsentativen Darstellung des Strahlbewegungsmusters von 8; 9 is a cross-sectional view (taken along a section line 9-9 in FIG 8th ) of the general representative representation of the beam motion pattern of 8th ;

10 stellt eine Ausführungsform eines Strahlbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird, dem der Laserstrahl während der Ausbildung einer Laserschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann; 10 FIG. 5 illustrates one embodiment of a jet motion pattern projected onto the upper surface of the stack of workpieces that may be followed by the laser beam between two or more overlapping metal workpieces contained in the stack of workpieces during formation of a laser welding interface; FIG.

11 stellt eine weitere Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird, dem der Laserstrahl während der Ausbildung einer Laserschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann; 11 Fig. 12 illustrates another embodiment of the beam motion pattern projected onto the upper surface of the stack of workpieces which may be followed by the laser beam between two or more overlapping metal workpieces contained in the stack of workpieces during the formation of a laser weld joint;

12 stellt noch eine weitere Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird, dem der Laserstrahl während der Ausbildung einer Laserschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann; 12 Figure 8 illustrates yet another embodiment of the jet motion pattern projected onto the upper surface of the stack of workpieces that may be followed by the laser beam between two or more overlapping metal workpieces contained in the stack of workpieces during the formation of a laser welding interface;

13 stellt noch eine weitere Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird, dem der Laserstrahl beim Ausbilden einer Laserschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann; 13 Fig. 12 illustrates yet another embodiment of the jet motion pattern projected onto the top surface of the stack of workpieces that may be followed by the laser beam in forming a laser welding interface between the two or more overlapping metal workpieces contained within the stack of workpieces;

14 stellt eine weitere Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird, dem der Laserstrahl während der Ausbildung einer Laserschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann; 14 Fig. 12 illustrates another embodiment of the beam motion pattern projected onto the upper surface of the stack of workpieces which may be followed by the laser beam between two or more overlapping metal workpieces contained in the stack of workpieces during the formation of a laser weld joint;

15 stellt noch eine weitere Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters dar, das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert wird, dem der Laserstrahl während der Ausbildung einer Laserschweißfügestelle zwischen den zwei oder mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann; 15 Figure 8 illustrates yet another embodiment of the jet motion pattern projected onto the upper surface of the stack of workpieces that may be followed by the laser beam between two or more overlapping metal workpieces contained in the stack of workpieces during the formation of a laser welding interface;

16 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Werkstückstapels, die aus der gleichen Perspektive wie 2 aufgenommen wurde und das Verschieben des Schmelzbads aus Metallschmelze durch den Werkstückstapel hindurch als Folge des voran Bewegens des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Stapels zeigt, und wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch den Werkstückstapel vollständig durchdringen; 16 is a side view in cross-section of the workpiece stack, which from the same perspective as 2 and moving the molten pool of molten metal through the stack of workpieces as a result of advancing the beam spot of the laser beam relative to the upper surface of the stack, and wherein both the molten metal bath and the keyhole completely penetrate the stack of workpieces;

17 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Werkstückstapels, die aus der gleichen Perspektive aufgenommen wurde, wie sie in 2 gezeigt ist, obwohl hier der Werkstückstapel drei Werkstücke aus Metall enthält, die zwei Stoßschnittstellen bilden, im Gegensatz zu zwei Werkstücken aus Metall, die eine einzige Stoßschnittstelle bilden, wie in 2 dargestellt ist; und 17 is a side view in cross section of the workpiece stack taken from the same perspective as in FIG 2 although the workpiece stack here contains three metal workpieces forming two impact interfaces, as opposed to two metal workpieces forming a single impact interface, as in FIG 2 is shown; and

18 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Werkstückstapels, die aus der gleichen Perspektive wie 16 aufgenommen wurde und die das Verschieben des Schmelzbads aus Metallschmelze durch den Werkstückstapel hindurch als Folge des Voranbewegens des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Stapels zeigt, und wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch den Werkstückstapel vollständig durchdringen, obwohl der Werkstückstapel hier drei Werkstücke aus Metall enthält, die zwei Stoßschnittstellen bilden, im Gegensatz zu zwei Werkstücken aus Metall, die eine einzige Stoßschnittstelle bilden, wie in 16 dargestellt ist. 18 is a side view in cross-section of the workpiece stack, which from the same perspective as 16 and showing displacement of molten metal bath through the stack of workpieces as a result of advancing the beam spot of the laser beam relative to the top surface of the stack, and wherein both the molten metal bath and the keyhole fully penetrate the stack of workpieces, although the workpiece stack Here, there are three metal workpieces that form two impact interfaces, as opposed to two metal workpieces that form a single impact interface, as in FIG 16 is shown.

GENAUE BESCHREIBUNGPRECISE DESCRIPTION

Das offenbarte Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall besteht, umfasst das Ausbilden einer Laserschweißfügestelle mit einem Laserstrahl mit der zusätzlichen Unterstützung des Kreisenlassens des Laserstrahls auf eine spezielle Weise – das heißt, dass der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um einen Brennpunkt des Laserstrahls entlang mindestens einer spiralförmigen Strecke zu bewegen, die eine zentrale Spiralenachse aufweist, die quer zu einer oberen Oberfläche (auf welche der Laserstrahl gerichtet wird) und einer entgegengesetzt orientierten unteren Oberfläche des Werkstückstapels zu bewegen. Der Laserstrahl kann ein Strahl eines Festkörperlasers oder ein Strahl eines Gaslasers in Abhängigkeit von den Eigenschaften und Zusammensetzungen der Werkstücke aus Metall, die zusammengefügt werden, und von der verwendeten Laserschweißvorrichtung sein. Einige relevante Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein direkter Diodenlaser, und ein Nd:YAG-Laser, und ein relevanter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO2-Laser, obwohl andere Typen von Laser sicherlich verwendet werden können. Das offenbarte Laserschweißverfahren wird vorzugsweise mithilfe eines Laserschweißens aus der Ferne ausgeführt. Eine bevorzugte Implementierung einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne ist nachstehend in größerem Detail beschrieben.The disclosed method of laser welding a stack of workpieces consisting of two or more overlapping metal workpieces comprises forming a laser welding joint with a laser beam with the additional assistance of circulating the laser beam in a specific manner - that is, allowing the laser beam to orbit for moving a focal point of the laser beam along at least one helical path having a central spiral axis which moves transversely to an upper surface (to which the laser beam is directed) and an oppositely oriented lower surface of the workpiece stack. The laser beam may be a beam of a solid-state laser or a jet of a gas laser depending on the properties and compositions of the workpieces of metal that are joined, and be of the laser welding device used. Some relevant solid state lasers that can be used are a fiber laser, a disk laser, a direct diode laser, and a Nd: YAG laser, and a relevant gas laser that can be used is a CO 2 laser, although other types of lasers certainly can be used. The disclosed laser welding method is preferably carried out by means of a laser welding at a distance. A preferred implementation of a remote laser welding apparatus will now be described in greater detail.

Das Laserschweißverfahren kann an einer Vielfalt von Werkstückstapelkonfigurationen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einem ”2T”-Werkstückstapel (2 und 16) verwendet werden, der zwei sich überlappende und aneinander angrenzende Werkstücke aus Metall enthält, oder es kann in Verbindung mit einem ”3T”-Werkstückstapel (1718) verwendet werden, der drei sich überlappende und aneinander angrenzende Werkstücke aus Metall enthält. Des Weiteren kann das offenbarte Verfahren in einigen Fällen in Verbindung mit einem ”4T”-Werkstückstapel (nicht gezeigt) verwendet werden, der vier sich überlappende und aneinander angrenzende Werkstücke aus Metall enthält. Zudem können die mehreren Werkstücke aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, einander ähnliche oder unähnliche Zusammensetzungen aufweisen, vorausgesetzt, dass sie Teil der gleichen Basismetallgruppe sind (z. B. Stahl oder Aluminium), und sie können, falls gewünscht, am Schweißort einander ähnliche oder unähnliche Dicken aufweisen. Das Laserschweißverfahren wird auf im Wesentlichen die gleiche Weise ausgeführt, um die gleichen Ergebnisse zu erreichen, unabhängig davon, ob der Werkstückstapel zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall oder mehr als zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält. Alle Unterschiede bei den Werkstückstapelkonfigurationen können leicht bewältigt werden, indem der Laserschweißprozess justiert wird.The laser welding process can be performed on a variety of workpiece stacking configurations. For example, the disclosed method may be used in conjunction with a " 2T " 2 and 16 ), which contains two overlapping and adjoining metal workpieces, or it may be used in conjunction with a "3T" work piece stack ( 17 - 18 ), which contains three overlapping and adjoining metal workpieces. Furthermore, in some instances, the disclosed method may be used in conjunction with a "4T" workpiece stack (not shown) that includes four overlapping and contiguous metal workpieces. In addition, the plurality of metal workpieces contained in the workpiece stack may have similar or dissimilar compositions, provided that they are part of the same base metal group (eg, steel or aluminum), and may, if desired, be at the weld site have similar or dissimilar thicknesses. The laser welding process is performed in substantially the same manner to achieve the same results, regardless of whether the workpiece stack contains two overlapping metal workpieces or more than two overlapping metal workpieces. Any differences in the workpiece stacking configurations can be easily handled by adjusting the laser welding process.

Mit Bezug nun auf 116 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels 10 aus der Ferner gezeigt, bei dem der Stapel 10 mindestens ein erstes Werkstück 12 aus Metall und ein zweites Werkstück 14 aus Metall enthält, die sich bei einem Schweißort 16 überlappen, an dem das Laserschweißen aus der Ferne unter Verwendung einer Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne ausgeführt wird. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall stellen jeweils eine obere Oberfläche 20 und eine untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 wird der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zur Verfügung gestellt und sie ist für einen Laserstrahl 24 zugänglich, der von der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne ausgeht. Und da nur ein einseitiger Zugriff benötigt wird, um ein Laserschweißen auszuführen, besteht keine Notwendigkeit dafür, dass die untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 für die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne auf die gleiche Weise wie die obere Oberfläche 20 zur Verfügung gestellt wird. Obwohl der Einfachheit halber in den Figuren nur ein Schweißort 16 dargestellt ist, wird der Fachmann darüber hinaus feststellen, dass ein Laserschweißen in Übereinstimmung mit dem offenbarten Laserschweißverfahren an vielen verschiedenen Schweißorten praktiziert werden kann, die über den gleichen Werkstückstapel hinweg verteilt sind.With reference now to 1 - 16 is a method for laser welding a workpiece stack 10 shown in the further, in which the stack 10 at least one first workpiece 12 made of metal and a second workpiece 14 made of metal, located at a welding site 16 overlap where the laser welding from a distance using a device 18 for laser welding is carried out remotely. The first and second workpiece 12 . 14 made of metal each have an upper surface 20 and a lower surface 22 of the workpiece stack 10 ready. The upper surface 20 of the workpiece stack 10 becomes the device 18 It is provided for laser welding from a distance and it is for a laser beam 24 accessible from the device 18 for laser welding from a distance. And since only one-sided access is needed to perform laser welding, there is no need for the bottom surface 22 of the workpiece stack 10 for the device 18 for laser welding remotely in the same way as the top surface 20 is made available. Although for the sake of simplicity in the figures, only one place of welding 16 In addition, those skilled in the art will recognize that laser welding in accordance with the disclosed laser welding technique can be practiced at many different welding locations distributed throughout the same stack of workpieces.

Der Werkstückstapel 10 kann, wie in 12 gezeigt ist, nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall enthalten. Unter diesen Umständen, und wie in 2 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Metall eine äußere Außenoberfläche 26 und eine erste Stoßoberfläche 28, und das zweite Werkstück 14 aus Metall enthält eine äußere Außenoberfläche 30 und eine zweite Stoßoberfläche 32. Die äußere Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall stellt die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bereit, und die äußere Außenoberfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall stellt die entgegengesetzt orientierte untere Oberfläche 22 des Stapels 10 bereit. Und da die zwei Werkstücke 12, 14 aus Metall die einzigen Werkstücke sind, die in dem Werkstückstapel 10 vorhanden sind, überlappen sich die erste und zweite Stoßoberfläche 28, 32 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Metall und liegen einander gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 34 herzustellen, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstreckt. In anderen Ausführungsformen des offenbarten Laserschweißverfahrens aus der Ferne, von denen eine nachstehend in Verbindung mit 1718 beschrieben ist, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches Werkstück aus Metall enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall angeordnet ist, um den Stapel 10 mit drei Werkstücken aus Metall statt von zwei bereitzustellen.The workpiece stack 10 can, as in 1 - 2 is shown, only the first and second workpiece 12 . 14 Made of metal. In these circumstances, and as in 2 best shown, contains the first workpiece 12 made of metal an outer outer surface 26 and a first impact surface 28 , and the second workpiece 14 made of metal contains an outer surface 30 and a second impact surface 32 , The outer outer surface 26 of the first workpiece 12 made of metal represents the upper surface 20 of the workpiece stack 10 ready, and the outer outer surface 30 of the second workpiece 14 made of metal represents the oppositely oriented lower surface 22 of the pile 10 ready. And there are the two workpieces 12 . 14 made of metal are the only workpieces in the workpiece stack 10 are present, the first and second impact surfaces overlap 28 . 32 of the first and second workpieces 12 . 14 made of metal and face each other, around a shock interface 34 produce, which is determined by the location of the weld 16 extends through. In other embodiments of the disclosed laser welding process from a distance, one of which is described below in connection with 17 - 18 is described, the workpiece stack 10 an additional metal workpiece included between the first and second workpiece 12 . 14 made of metal is placed around the stack 10 to provide with three workpieces of metal instead of two.

Der Begriff ”Stoßschnittstelle” wird in der vorliegenden Offenbarung weit gefasst verwendet und soll einen großen Bereich von Überlappungsbeziehungen zwischen den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßoberflächen 28, 32 umfassen, für welche die Praxis des Laserschweißens Platz bieten kann. Zum Beispiel können die Stoßoberflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 bilden, indem sie in direktem oder indirektem Kontakt stehen. Die Stoßoberflächen 28, 32 stehen in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht oder durch Spalte getrennt sind, die außerhalb von normalen Montagetoleranzbereichen liegen. Die Stoßoberflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind, etwa einen Strukturklebstoff – und daher nicht die Art von Schnittstellenaneinanderangrenzung aufweisen, die den direkten Kontakt ausmacht – jedoch befinden sie sich in einer ausreichend nahen Nähe zueinander, dass ein Laserschweißen praktiziert werden kann. Als weiteres Beispiel können die Stoßoberflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 bilden, indem sie durch Spalte getrennt sind, die absichtlich vorgesehen sind. Diese Spalte können zwischen den Stoßoberflächen 28, 32 bereitgestellt werden, indem vorspringende Merkmale an einer oder an beiden Stoßoberflächen 28, 32 durch Laserritzbildung, mechanische Dellenbildung oder auf andere Weise gebildet werden. Die vorspringenden Merkmale bieten in Abständen auftretende Kontaktpunkte zwischen den Stoßoberflächen 28, 32, welche die Stoßoberflächen 28, 32 außerhalb von und um die Kontaktpunkte herum um bis zu 1,0 mm, und vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm voneinander beabstandet halten.The term "impact interface" is used broadly in the present disclosure and is intended to encompass a wide range of overlap relationships between the opposing first and second abutment surfaces 28 . 32 for which the practice of laser welding can offer space. For example, the impact surfaces 28 . 32 the shock interface 34 form by being in direct or indirect contact. The shock surfaces 28 . 32 are in direct contact with each other when physically adjacent to one another and are not separated by a discrete intervening material layer or by gaps outside normal Mounting tolerance ranges are. The shock surfaces 28 . 32 are in indirect contact when separated by a discrete intervening layer of material, such as a structural adhesive - and therefore do not have the kind of interface contiguousness that makes up direct contact - but are in sufficiently close proximity to one another that laser welding is practiced can. As another example, the butt surfaces 28 . 32 the shock interface 34 form by being separated by gaps intentionally provided. These gaps can be between the impact surfaces 28 . 32 be provided by protruding features on one or both impact surfaces 28 . 32 be formed by laser scribing, mechanical dents or otherwise. The protruding features provide spaced contact points between the impact surfaces 28 . 32 showing the impact surfaces 28 . 32 out of and around the points of contact by up to 1.0 mm, and preferably between 0.2 mm and 0.8 mm apart.

Wie in 2 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 als Metall ein erstes Basismetallsubstrat 36 und das zweite Werkstück 14 aus Metall enthält ein zweites Basismetallsubstrat 38. Mindestens eines der ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 – und möglicherweise beide – kann eine Oberflächenbeschichtung 40 enthalten. Hier in 2 ist jedes der ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 mit einer Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet, die wiederum die Werkstücke 12, 14 mit ihren jeweiligen äußeren Außenoberflächen 26, 30 und ihren jeweiligen Stoßoberflächen 28, 32 bereitstellt. In anderen Ausführungsformen enthält nur das erste Basismetallsubstrat 36 eine Oberflächenbeschichtung 40, während das zweite Basismetallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist, oder nur das zweite Basismetallsubstrat 38 enthält die Oberflächenbeschichtung 40, während das erste Basismetallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist. Die exakte Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung 40 hängt zum großen Teil von der Metallzusammensetzung des darunterliegenden Basismetallsubstrats 36, 38 ab. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann an einem oder beiden Basismetallsubstraten 36, 38 aus verschiedenen Gründen verwendet werden, die neben anderen Gründen Korrosionsschutz, Festigkeitsverbesserung, und/oder Verbesserung der Verarbeitung umfassen. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall weisen Dicken 121, 141 auf, die gleich oder voneinander verschieden sein können.As in 2 best shown, contains the first workpiece 12 as metal a first base metal substrate 36 and the second workpiece 14 made of metal contains a second base metal substrate 38 , At least one of the first and second base metal substrates 36 . 38 - and possibly both - can be a surface coating 40 contain. Here in 2 is each of the first and second base metal substrates 36 . 38 with a surface coating 40 coated, in turn, the workpieces 12 . 14 with their respective outer outer surfaces 26 . 30 and their respective impact surfaces 28 . 32 provides. In other embodiments, only the first base metal substrate includes 36 a surface coating 40 while the second base metal substrate 36 uncoated or bare, or only the second base metal substrate 38 contains the surface coating 40 while the first base metal substrate 36 uncoated or shiny. The exact composition of the surface coating 40 depends in large part on the metal composition of the underlying base metal substrate 36 . 38 from. The surface coating 40 may be on one or both base metal substrates 36 . 38 for various reasons, including, among other reasons, corrosion protection, strength improvement, and / or improvement of processing. The first and second workpiece 12 . 14 made of metal have thicknesses 121 . 141 which may be the same or different.

Das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 können aus Stahl oder Aluminium bestehen. Wenn sie aus Stahl bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (die für den Moment als erste und zweite Basisstahlsubstrate 36, 38 bezeichnet werden) separat aus beliebigen einer großen Vielfalt von Stählen bestehen, die einen Stahl mit wenig Kohlenstoff (einen Mildstahl), einen Stahl ohne Zwischenräume (IF-Stahl), einen Bake-Hardening-Stahl, einen hochfesten Stahl mit niedriger Legierung (HSLA-Stahl), einen Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einen Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einen Martensit-Stahl (MART-Stahl), einen Transformation Induced Plasticity Stahl (TRIP-Stahl), einen Twining Induced Plasticity Stahl (TWIP-Stahl) und einen Bor-Stahl umfassen, etwa wenn ein druckgehärteter Stahl (PHS) in den Werkstücken 12, 14 enthalten ist. Darüber hinaus kann jedes der ersten und zweiten Basisstahlsubstrate 36, 38 behandelt worden sein, um einen speziellen Satz von mechanischen Eigenschaften zu erhalten, was umfasst, dass sie einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wurden, etwa Ausglühen, Abschrecken und/oder Tempern. Das erste und zweite Basisstahlsubstrat 36, 38 können auf ihre endgültigen Dicken warm- oder kaltgewalzt sein.The first and second base metal substrates 36 . 38 can be made of steel or aluminum. If made of steel, any of the base metal substrates can 36 . 38 (which for the moment are the first and second base steel substrates 36 . 38 separately from any of a wide variety of steels comprising a low carbon steel (a mild steel), a non-interstitial steel (IF steel), a bake hardening steel, a high strength low alloy steel (HSLA). Steel), a two-phase steel (DP steel), a complex phase steel (CP steel), a martensite steel (MART steel), a transformation Induced Plasticity steel (TRIP steel), a Twining Induced Plasticity steel (TWIP steel) and a boron steel, such as when a pressure hardened steel (PHS) in the workpieces 12 . 14 is included. In addition, each of the first and second base steel substrates 36 . 38 have been treated to obtain a specific set of mechanical properties, including undergoing a heat treatment process, such as annealing, quenching and / or annealing. The first and second base steel substrates 36 . 38 can be hot or cold rolled to their final thicknesses.

Die Oberflächenbeschichtung 40, die an einem oder beiden Basisstahlsubstraten 36, 38 vorhanden ist, besteht vorzugsweise aus einem auf Zink beruhenden Material oder aus einem auf Aluminium beruhenden Material. Einige Beispiele für ein auf Zink beruhendes Material umfassen Zink und eine Zinklegierung, etwa eine Zink-Nickel-Legierung oder eine Zink-Eisen-Legierung. Einige Beispiele für ein geeignetes auf Aluminium beruhendes Material umfassen Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung und eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Eine Beschichtung aus einem auf Zink beruhendem Material kann durch Feuerverzinken (Zink), Elektrogalvanisierung (Zink) oder Galvannealing (Zink-Eisen-Legierung) typischerweise mit einer Dicke von 2 μm bis 50 μm aufgebracht werden, und eine Beschichtung aus einem auf Aluminium beruhenden Material kann durch Tauchbeschichten aufgebracht werden, typischerweise mit einer Dicke von 2 μm bis 30 μm, obwohl andere Beschichtungsprozeduren und Dicken der erhaltenen Beschichtungen verwendet werden können. Wenn die Dicken der Basisstahlsubstrate 36, 38 und deren Oberflächenbeschichtungen 40, falls vorhanden, berücksichtigt werden, liegt die Gesamtdicke 121, 141 von jedem der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 4,0 mm oder enger gefasst von 0,5 mm bis 2,0 mm, zumindest am Schweißort 16.The surface coating 40 attached to one or both base steel substrates 36 . 38 is preferably made of a zinc-based material or of an aluminum-based material. Some examples of a zinc-based material include zinc and a zinc alloy, such as a zinc-nickel alloy or a zinc-iron alloy. Some examples of a suitable aluminum-based material include aluminum, an aluminum-silicon alloy, an aluminum-zinc alloy, and an aluminum-magnesium alloy. A coating of a zinc-based material may be applied by hot-dip galvanizing (zinc), electro-galvanizing (zinc) or galvannealing (zinc-iron alloying), typically with a thickness of 2 μm to 50 μm, and a coating of an aluminum-based material can be applied by dip coating, typically from 2 μm to 30 μm thick, although other coating procedures and thicknesses of coatings obtained can be used. When the thicknesses of the base steel substrates 36 . 38 and their surface coatings 40 , if available, takes into account the total thickness 121 . 141 from each of the first and second workpieces 12 . 14 of steel preferably in a range of 0.4 mm to 4.0 mm or narrower from 0.5 mm to 2.0 mm, at least at the welding site 16 ,

Wenn das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 aus Aluminium bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (die für den Moment als das erste und zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 bezeichnet werden) separat aus einem legierungsfreien Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Gewichtsanteil Aluminium enthält. Einige relevante Aluminiumlegierungen, die das erste und/oder zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Zudem kann jedes der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 separat in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann jedes der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 aus einer gezogenen Aluminiumlegierungs-Blechschicht einer 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- oder 7xxx-Serie, einem Extrusions-, Schmiede- oder einem anderweitig bearbeiteten Artikel bestehen. Oder als weiteres Beispiel kann jedes der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 aus einem Aluminiumlegierungsguss der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, die als das erste und/oder zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 verwendet werden können, umfassen eine AA5182- und eine AA5754-Aluminium-Magnesium-Legierung, eine AA6022- und eine AA6111-Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine AA7003- und eine AA7055-Aluminium-Zink-Legierung und eine Al10Si-Mg-Aluminiumgusslegierung, sind aber nicht darauf beschränkt. Das erste und/oder zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 können in einer Vielfalt von Härten verwendet werden, die geglüht (O), kaltgehärtet (H) und wärmebehandelt (T) umfassen, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften der Werkstücke 12, 14.When the first and second base metal substrates 36 . 38 made of aluminum, each of the base metal substrates 36 . 38 (for the moment as the first and second base aluminum substrate 36 . 38 separately) consist of an alloy-free aluminum or an aluminum alloy containing at least 85% by weight of aluminum. Some relevant aluminum alloys, the first and / or second Based aluminum substrate 36 . 38 may be an aluminum-magnesium alloy, an aluminum-silicon alloy, an aluminum-magnesium-silicon alloy or an aluminum-zinc alloy. In addition, each of the base aluminum substrates 36 . 38 be provided separately in forged or cast form. For example, any of the base aluminum substrates 36 . 38 consist of a drawn aluminum alloy sheet metal layer of a 4xxx, 5xxx, 6xxx or 7xxx series, an extruded, forged or otherwise machined article. Or, as another example, each of the base aluminum substrates 36 . 38 consist of a series 4xx.x, 5xx.x or 7xx.x aluminum alloy casting. Some more specific types of aluminum alloys used as the first and / or second base aluminum substrate 36 . 38 include AA5182 and AA5754 aluminum-magnesium alloys, AA6022 and AA6111 aluminum-magnesium-silicon alloys, AA7003 and AA7055 aluminum-zinc alloys, and Al10Si-Mg Aluminum casting alloy, but are not limited thereto. The first and / or second base aluminum substrate 36 . 38 can be used in a variety of hardnesses, which include annealed (O), cold cured (H) and heat treated (T), depending on the desired properties of the workpieces 12 . 14 ,

Die Oberflächenbeschichtung 40, die an einem oder beiden Basisaluminiumsubstraten 36, 38 vorhanden ist, kann eine hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich passiv ausbildet, wenn unbehandeltes Aluminium des Basisaluminiumsubstrats 36, 38 der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Eine derartige hitzebeständige Oxidbeschichtung enthält Aluminiumoxidverbindungen und möglicherweise auch andere Metalloxidverbindungen. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann außerdem eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxidkonversionsbeschichtung sein, die aus Oxiden von Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Weise, auf welche die Beschichtung 40 hergeleitet wird, irgendwo zwischen 1 nm und 10 μm, obwohl andere Dicken verwendet werden können. Wenn die Dicken der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 und deren Oberflächenbeschichtungen 40, falls vorhanden, berücksichtigt werden, liegt die Gesamtdicke 121, 141 von jedem der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Aluminium vorzugsweise in einem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest am Schweißort 16.The surface coating 40 attached to one or both base aluminum substrates 36 . 38 can be a refractory oxide coating that forms passively when untreated aluminum of the base aluminum substrate 36 . 38 the ambient air or other oxygen-containing medium is exposed. Such a refractory oxide coating contains alumina compounds and possibly other metal oxide compounds. The surface coating 40 may also be a metallic coating consisting of zinc or tin, or it may be a metal oxide conversion coating consisting of oxides of titanium, zirconium, chromium or silicon. A typical thickness of the surface coating 40 , if any, is dependent on the composition of the coating 40 and the way in which the coating 40 is derived somewhere between 1 nm and 10 μm, although other thicknesses can be used. When the thicknesses of the base aluminum substrates 36 . 38 and their surface coatings 40 , if available, takes into account the total thickness 121 . 141 from each of the first and second workpieces 12 . 14 of aluminum preferably in a range of 0.3 mm to 6.0 mm or narrower from 0.5 mm to 3.0 mm, at least at the welding site 16 ,

Wieder mit Bezug auf 1 enthält die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 42. Der optische Laserabtastkopf 42 lenkt den Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10, welche hier durch die äußere Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall bereitgestellt ist. Der gelenkte Laserstrahl 24 trifft auf die obere Oberfläche 20 auf und er weist, wie in 3 gezeigt ist, einen Strahlpunkt 44 auf, welcher die Schnittfläche des Laserstrahls 24 mit einer Ebene ist, die entlang der oberen Oberfläche 20 des Stapels 10 orientiert ist. Der optische Laserabtastkopf 42 ist vorzugsweise an einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, der den Laserkopf 42 schnell und genau an viele verschiedene vorgewählte Schweißorte 16 an dem Werkstückstapel 10 in einer schnellen programmierten Folge befördern kann. Der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 42 verwendete Laserstrahl 24 ist vorzugsweise ein Strahl eines Festkörperlasers, der mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet (welcher üblicherweise so aufgefasst wird, dass er von 700 nm bis 1400 nm reicht). Zudem kann der Laserstrahl 24 eine Leistungsdichte erreichen, die ausreicht, um, falls gewünscht, innerhalb des Werkstückstapels 10 beim Ausbilden der Laserschweißfügestelle ein Schlüsselloch zu erzeugen. Die Leistungsdichte, die zum Erzeugen eines Schlüssellochs innerhalb der sich überlappenden Werkstücke aus Metall benötigt wird, liegt typischerweise in dem Bereich von 0,5–1,5 MW/cm2.Again with respect to 1 contains the device 18 for laser welding remotely, an optical laser scanning head 42 , The optical laser scanning head 42 directs the laser beam 24 on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 which here through the outer outer surface 26 of the first workpiece 12 made of metal. The steered laser beam 24 meets the upper surface 20 up and he points out how in 3 shown is a beam spot 44 on which the cut surface of the laser beam 24 with a plane that is along the top surface 20 of the pile 10 is oriented. The optical laser scanning head 42 is preferably mounted on a robot arm (not shown) which supports the laser head 42 fast and accurate to many different preselected welding locations 16 on the workpiece stack 10 in a fast programmed sequence. In conjunction with the optical laser scanning head 42 used laser beam 24 is preferably a beam of a solid-state laser operating at a wavelength in the near infrared region of the electromagnetic spectrum (which is usually considered to range from 700 nm to 1400 nm). In addition, the laser beam 24 achieve a power density sufficient to, if desired, within the stack of workpieces 10 to form a keyhole when forming the laser welding joint. The power density needed to create a keyhole within the overlapping metal workpieces is typically in the range of 0.5-1.5 MW / cm 2 .

Einige Beispiele für einen geeigneten Festkörper-Laserstrahl, der in Verbindung mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne verwendet werden kann, umfassen einen Faserlaserstrahl, einen Scheibenlaserstrahl und einen direkten Diodenlaserstrahl. Jeder dieser Typen von Lasern ist käuflich erhältlich. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein Diodenpumpenlaserstrahl, bei welchem das Laserverstärkungsmedium eine optische Faser ist, die mit einem Selten-Erden-Element dotiert ist (z. B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, usw.). Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist ein Diodenpumpenlaserstrahl, bei welchem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Selten-Erden-Element dotiert ist (z. B. einem mit Ytterbium dotierten Yttrium-Aluminium-Granatkristall (Yb:YAG), der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist), und die an einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter direkter Diodenlaserstrahl ist ein kombinierter Laserstrahl (z. B. wellenlängenkombiniert), der aus mehreren Dioden abgeleitet ist, bei dem das Verstärkungsmedium aus mehreren Halbleitern besteht, etwa denjenigen, die auf Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAS) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAS) beruhen.Some examples of a suitable solid-state laser beam used in conjunction with the device 18 can be used for laser welding at a distance, include a fiber laser beam, a disk laser beam and a direct diode laser beam. Each of these types of lasers is commercially available. A preferred fiber laser beam is a diode pump laser beam in which the laser gain medium is an optical fiber doped with a rare earth element (eg, erbium, ytterbium, neodymium, dysprosium, praseodymium, thulium, etc.). A preferred disk laser beam is a diode pump laser beam in which the gain medium is a thin laser disk doped with a rare earth element (eg, an ytterbium-doped yttrium-aluminum garnet crystal (Yb: YAG) coated with a reflective Surface is coated), and which is mounted on a heat sink. And a preferred direct diode laser beam is a combined laser beam (e.g., wavelength-combined) derived from a plurality of diodes in which the gain medium consists of a plurality of semiconductors, such as those based on aluminum gallium arsenide (AlGaAS) or indium gallium -Arsenide (InGaAS) are based.

Selbstverständlich können andere Festkörperlaserstrahlen verwendet werden, die hier nicht speziell erwähnt sind.Of course, other solid-state laser beams may be used which are not specifically mentioned here.

Der optische Laserabtastkopf 42 enthält eine Anordnung von Spiegeln 46, die den Laserstrahl 24 manövrieren können und den Strahlpunkt 44 entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 in einer Betriebshüllkurve 48, die den Schweißort 16 umfasst, verschieben können. Hier ist, wie in 1 veranschaulicht ist, der Abschnitt der oberen Oberfläche 20, der von der Betriebshüllkurve 48 überspannt wird, als die x-y-Ebene beschriftet, da die Position des Laserstrahls 24 in der Ebene durch die ”x”- und ”y”-Koordinaten eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert wird. Zusätzlich zu der Anordnung von Spiegeln 46 enthält der optische Laserabtastkopf 42 auch eine Sammellinse 50 für die z-Achse, welche einen Brennpunkt 52 (2) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse 54 des Laserstrahls 24 bewegen kann, um dadurch den Aufenthaltsort des Brennpunkts 52 in einer z-Richtung zu verändern, die in dem in 1 geschaffenen dreidimensionalen Koordinatensystem rechtwinklig zu der x-y-Ebene orientiert ist. Um zu verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen die optischen Systemkomponenten und die Integrität des Laserstrahls 24 nachteilig beeinflussen, kann außerdem ein Abdeckungsverschluss 56 unter dem optischen Laserabtastkopf 42 angeordnet sein. Der Abdeckungsverschluss 56 schützt die Anordnung von Spiegeln 46 und die Sammellinse 50 für die z-Achse von der umgebenden Umwelt, ermöglicht aber dennoch, dass der Laserstrahl 24 ohne wesentliche Störung aus dem optischen Laserabtastkopf 42 austreten kann. The optical laser scanning head 42 contains an array of mirrors 46 that the laser beam 24 maneuver and the beam point 44 along the upper surface 20 of the workpiece stack 10 in an operating envelope 48 that the welding place 16 includes, can move. Here is how in 1 Illustrated is the portion of the upper surface 20 that of the operating envelope 48 is spanned as the xy plane labeled as the position of the laser beam 24 is identified in the plane by the "x" and "y" coordinates of a three-dimensional coordinate system. In addition to the arrangement of mirrors 46 contains the optical laser scanning head 42 also a condensing lens 50 for the z-axis, which is a focal point 52 ( 2 ) of the laser beam 24 along a longitudinal axis 54 of the laser beam 24 can move to thereby determine the location of the focal point 52 to change in a z-direction, which in the in 1 created three-dimensional coordinate system is oriented at right angles to the xy plane. To prevent dirt and debris from the optical system components and the integrity of the laser beam 24 may also adversely affect, a cover closure 56 under the optical laser scanning head 42 be arranged. The cover closure 56 protects the arrangement of mirrors 46 and the condenser lens 50 for the z-axis from the surrounding environment, but still allows the laser beam 24 without significant interference from the optical laser scanning head 42 can escape.

Die Anordnung von Spiegeln 46 und die Sammellinse 50 für die z-Achse arbeiten während eines Betriebs der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 und seines Strahlpunks 44 innerhalb der Betriebshüllkurve 48 an dem Schweißort 16 sowie die Position des Brennpunkts 52 entlang der Längsachse 54 des Laserstrahls 24 vorzugeben. Die Anordnung von Spiegeln 46 enthält spezieller ein Paar kippbarer Abtastspiegel 58. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 58 ist an einem Stromstärkemesser bzw. Galvanometer 60 montiert. Die zwei kippbaren Abtastspiegel 58 können den Aufenthaltsort des Strahlpunkts 44 an irgendeine Stelle in der x-y-Ebene der Betriebshüllkurve 48 durch präzise koordinierte Kippbewegungen, die von den Stromstärkemessern 60 ausgeführt werden, bewegen – und damit den Punkt verändern, an welchem der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft. Gleichzeitig steuert die Sammellinse 50 für die z-Achse den Aufenthaltsort des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24 nach Wunsch. Alle diese optischen Komponenten 50, 58 können mit der Hilfe von programmierbaren Controllern innerhalb von Millisekunden oder weniger schnell angesprochen werden, um den Laserstrahl 24 innerhalb der Betriebshüllkurve 48 zu manövrieren, während der Aufenthaltsort des Brennpunkts 52 gesteuert wird. Dies ermöglicht, dass der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 sehr schnell und mit einem hohen Präzisionsgrad durch den Raum des dreidimensionalen x-y-z-Koordinatensystems in nahezu jeder gewünschten räumlichen Sequenz bewegt werden kann.The arrangement of mirrors 46 and the condenser lens 50 operate for the z-axis during operation of the device 18 For laser welding from a distance together to the desired movement of the laser beam 24 and his beaming punks 44 within the operating envelope 48 at the welding site 16 as well as the position of the focal point 52 along the longitudinal axis 54 of the laser beam 24 pretend. The arrangement of mirrors 46 More specifically, includes a pair of tiltable scanning mirrors 58 , Each of the tiltable scanning mirrors 58 is on a current meter or galvanometer 60 assembled. The two tiltable scanning mirrors 58 can determine the location of the beam spot 44 anywhere in the xy plane of the operating envelope 48 through precisely coordinated tilting motions by the current meters 60 be executed, and thus change the point at which the laser beam 24 on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 incident. At the same time, the condenser lens controls 50 for the z-axis, the location of the focal point 52 of the laser beam 24 as desired. All these optical components 50 . 58 can be quickly addressed to the laser beam within milliseconds or less with the help of programmable controllers 24 within the operating envelope 48 to maneuver while the whereabouts of the focal point 52 is controlled. This allows the focus 52 of the laser beam 24 can be moved very fast and with a high degree of precision through the space of the three-dimensional xyz coordinate system in almost any desired spatial sequence.

Eine Eigenschaft, die Laserschweißen aus der Ferne (manchmal auch als ”Schweißen on the fly” bezeichnet) von anderen herkömmlichen Formen von Laserschweißen unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 24. Hier weist, wie in 1 am besten gezeigt ist, der Laserstrahl 24 eine Brennweite 62 auf, welche als die Distanz zwischen dem Brennpunkt 52 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 58 gemessen wird, der den Laserstrahl 24 abfängt und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft (auch die äußere Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall). Die Brennweite 62 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 Meter bis 2,0 Meter, wobei ein Durchmesser des Brennpunkts 52 typischerweise in einem Bereich von 350 μm bis 700 μm liegt. Der optische Laserabtastkopf 42, der in 1 allgemein gezeigt und vorstehend beschrieben ist, sowie andere, die etwas anders aufgebaut sein können, sind aus mehreren Quellen kommerziell verfügbar. Einige relevante Lieferanten von optischen Laserabtastköpfen und Lasern zur Verwendung mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne umfassen HIGHYAG (Kleinmachnow, Deutschland) und TRUMPF Inc. (Farmington, Connecticut, USA).One feature that distinguishes laser welding from a distance (sometimes referred to as "welding on the fly") from other conventional forms of laser welding is the focal length of the laser beam 24 , Here, as in 1 Best shown is the laser beam 24 a focal length 62 on, which is the distance between the focal point 52 and the last tiltable scanning mirror 58 is measured, the laser beam 24 intercepts and reflects before the laser beam 24 on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 impinges (also the outer outer surface 26 of the first workpiece 12 made of metal). The focal length 62 of the laser beam 24 is preferably in the range of 0.4 meters to 2.0 meters, with a diameter of the focal point 52 typically in a range of 350 microns to 700 microns. The optical laser scanning head 42 who in 1 generally shown and described above, as well as others that may be constructed somewhat differently, are commercially available from several sources. Some relevant suppliers of optical laser scanning heads and lasers for use with the device 18 For laser welding at a distance, HIGHYAG (Kleinmachnow, Germany) and TRUMPF Inc. (Farmington, Connecticut, USA).

In dem vorliegend offenbarten Laserschweißverfahren wird, wie allgemein in 118 veranschaulicht ist, eine Laserschweißfügestelle 64 (1, 16 und 18) innerhalb des Werkstückstapels 10 und zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall (oder zwischen dem ersten, zweiten und dritten Werkstück aus Metall, wie in 1718 veranschaulicht und nachstehend beschrieben ist) ausgebildet, indem die Werkstücke 12, 14 aus Metall vorübergehend mit dem Laserstrahl 24 geschmolzen werden, während der Laserstrahl 24 in einer ziemlich geschickten Weise manövriert wird. Zu Beginn wird der Werkstückstapel 10 bereitgestellt, was typischerweise umfasst, dass das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall mit sich überlappenden Flanschen oder anderen Befestigungsregionen aneinander montiert oder angepasst werden. Nachdem der Werkstückstapel 10 bereitgestellt ist, wird der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Stapels 10 innerhalb des Schweißorts 16 gelenkt und trifft dort auf, wodurch der Strahlpunkt 44 gebildet wird, bei dem Laserenergie in den Stapel 10 eintritt. Die aus Absorption der fokussierten Energie des Laserstrahls 24 erzeugte Wärme leitet das Schmelzen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Metall ein, um ein Schmelzbad 66 aus Metallschmelze zu erzeugen, das in den Werkstückstapel 10 hinein von der oberen Oberfläche 20 aus zu der unteren Oberfläche 22 hin eindringt, wie am besten in 2 gezeigt ist. Das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze dringt während der Dauer des Laserschweißverfahrens an einem Punkt tief genug in den Werkstückstapel 10 ein, sodass es die Stoßschnittstelle 34 schneidet, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl gebildet ist.In the presently disclosed laser welding process, as generally discussed in U.S. Pat 1 - 18 Illustrated is a laser welding joint 64 ( 1 . 16 and 18 ) within the workpiece stack 10 and between the first and second workpieces 12 . 14 made of metal (or between the first, second and third workpieces of metal, as in 17 - 18 illustrated and described below) formed by the workpieces 12 . 14 made of metal temporarily with the laser beam 24 be melted while the laser beam 24 maneuvered in a pretty nifty way. At the beginning, the workpiece stack 10 provided, which typically includes the first and second workpieces 12 . 14 made of metal with overlapping flanges or other attachment regions mounted or adapted to each other. After the workpiece stack 10 is provided, the laser beam 24 on the upper surface 20 of the pile 10 within the welding site 16 steered and hits there, causing the beam spot 44 is formed, with the laser energy in the pile 10 entry. The out of absorption of the focused energy of the laser beam 24 generated heat directs the melting of the first and second workpiece 12 . 14 made of metal, around a molten bath 66 out To produce molten metal in the workpiece stack 10 in from the top surface 20 out to the lower surface 22 penetrates, as best in 2 is shown. The molten bath 66 molten metal penetrates deep enough into the stack of workpieces at one point during the laser welding process 10 so that it's the shock interface 34 cuts, between the first and second workpiece 12 . 14 made of steel.

Darüber hinaus weist der Laserstrahl 24 vorzugsweise eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um den Werkstückstapel 10 direkt unter dem Strahlpunkt 44 zu verdampfen. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 68, welches eine Säule aus verdampftem Werkstückmetall ist, die für gewöhnlich Plasma enthält. Das Schlüsselloch 68 wird innerhalb des Schmelzbads 66 aus Metallschmelze ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzbad 66 aus Metallschmelze nach innen kollabiert. Und wie das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze dringt auch das Schlüsselloch 68 in den Werkstückstapel 10 von der oberen Oberfläche 20 aus hin zu der unteren Oberfläche 22 ein, und es dringt an einem Punkt während der Dauer des Laserschweißverfahrens tief genug in den Stapel 10 ein, sodass es die Stoßschnittstelle 34 schneidet, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall gebildet ist. Das Schlüsselloch 68 stellt einen Kanal für den Laserstrahl 24 bereit, um Energie nach unten in den Werkstückstapel 10 hinein zu liefern, wodurch ein relativ tiefes und schmales Eindringen des Schmelzbads 66 aus Metallschmelze in den Werkstückstapel 10 hinein und eine relativ kleine umlaufende durch Wärme beeinflusste Zone ermöglicht werden. Das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze und das Schlüsselloch 78 können den Werkstückstapel 10 vollständig (2) oder teilweise (2A) durchdringen.In addition, the laser beam points 24 Preferably, a power density sufficient to the workpiece stack 10 directly under the beam spot 44 to evaporate. This evaporation action creates a keyhole 68 , which is a column of vaporized workpiece metal, which usually contains plasma. The keyhole 68 gets inside the molten bath 66 formed of molten metal and exerts an outwardly directed vapor pressure sufficient to prevent the surrounding molten bath 66 from molten metal collapsed inwards. And like the molten bath 66 The keyhole also penetrates from molten metal 68 in the workpiece stack 10 from the upper surface 20 out to the bottom surface 22 and penetrates deep enough into the stack at one point during the laser welding process 10 so that it's the shock interface 34 cuts, between the first and second workpiece 12 . 14 made of metal. The keyhole 68 represents a channel for the laser beam 24 ready to put energy down in the workpiece stack 10 into it, resulting in a relatively deep and narrow penetration of the molten bath 66 from molten metal into the workpiece stack 10 and a relatively small circulating heat-affected zone. The molten bath 66 made of molten metal and the keyhole 78 can the workpiece stack 10 Completely ( 2 ) or partially ( 2A penetrate).

Mit Bezug nun speziell auf 45 wird der Laserstrahl 24 kreisen gelassen, sobald der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft oder kurz danach, um den Brennpunkt 52 des Strahls 24 entlang mindestens einer spiralförmigen Strecke 70 zu bewegen, die eine zentrale Spiralenachse 72 aufweist, die quer zu der oberen und unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 orientiert ist. Die zentrale Spiralenachse 72 ist quer zu der oberen und unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 orientiert, wenn sie jede dieser Oberflächen 20, 22 schneidet, oder sie kann kolinear extrapoliert werden, um jede dieser Oberflächen 20, 22 zu schneiden. Der Schnittpunkt der zentralen Spiralenachse 72 oder ihrer kolinearen Extrapolation kann senkrecht zu der oberen und unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 sein, wie in 4 gezeigt ist, obwohl eine derartig strenge Rechtwinkligkeit nicht unbedingt erforderlich ist. In der Tat kann, wie auch in 4 gezeigt ist, die zentrale Spiralenachse 72 oder ihre kolineare Extrapolation die obere und untere Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 unter einem Winkel 74 schneiden, der von der Rechtwinkligkeit um bis zu 45° abweicht. Das Kreisen lassen des Laserstrahls 24, das benötigt wird, um den Brennpunkt 52 entlang der spiralförmigen Strecke 70 zu bewegen, wird erreicht, indem die koordinierten Bewegungen der kippbaren Abtastspiegel 58 und der Sammellinse 50 für die z-Achse des optischen Laserabtastkopfes 42 präzise gesteuert werden.With reference now specifically to 4 - 5 becomes the laser beam 24 circled as soon as the laser beam 24 on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 impinges or shortly thereafter to the focal point 52 of the beam 24 along at least one spiral path 70 to move, which is a central spiral axis 72 which is transverse to the upper and lower surfaces 20 . 22 of the workpiece stack 10 is oriented. The central spiral axis 72 is transverse to the top and bottom surfaces 20 . 22 of the workpiece stack 10 oriented, if they are any of these surfaces 20 . 22 or it can be extrapolated colinear to any of these surfaces 20 . 22 to cut. The intersection of the central spiral axis 72 or their colinear extrapolation may be perpendicular to the upper and lower surfaces 20 . 22 of the workpiece stack 10 be like in 4 is shown, although such a strict squareness is not necessarily required. In fact, as well as in 4 shown is the central spiral axis 72 or their colinear extrapolation the top and bottom surfaces 20 . 22 of the workpiece stack 10 at an angle 74 cutting, which deviates from the squareness by up to 45 °. Circling the laser beam 24 that is needed to focus 52 along the spiral route 70 Moving is achieved by the coordinated movements of the tiltable scanning mirrors 58 and the condenser lens 50 for the z-axis of the laser scanning optical head 42 be precisely controlled.

Die Bewegung des Brennpunkts 52 entlang der spiralförmigen Strecke 70 führt dazu, dass sich der Brennpunkt 52 um die zentrale Spiralenachse 72 herum entlang einer Vielzahl von Windungen 76 windet bzw. schlängelt. Jede der Windungen 76 weist einen Abstand 78 auf, der parallel zu der zentralen Spiralenachse 72 gemessen wird, sowie einen Radius 80, der rechtwinklig zu der zentralen Spiralenachse 72 gemessen wird. Der Abstand 78 jeder Windung 76 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 μm bis 5000 μm, wobei die Abstände 78 der mehreren Windungen 76 alle gleich sind oder alternativ eine bestimmte Variabilität aufweisen. Der Radius 80 jeder Windung 76 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 μm bis 20 mm und er kann konstant oder variabel sein (z. B. zunehmend oder abnehmend), während er die zentrale Spiralenachse 72 umkreist. Die Anzahl der Windungen 76, welche die spiralförmige Strecke 70 bilden, kann von ein paar bis zu vielen variieren, aber in vielen Fällen können von zwei bis zweihundert Windungen 76 von dem Brennpunkt 52 durchlaufen werden. Und in Abhängigkeit von der Anzahl der Windungen 76 in der spiralförmigen Strecke 70 und von dem Abstand 78 von jeder dieser Windungen 76 weist die spiralförmige Strecke 70 eine Länge 82 entlang der zentralen Spiralenachse 72 auf, die vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 mm bis 30 mm liegt.The movement of the focal point 52 along the spiral route 70 causes the focus 52 around the central spiral axis 72 around along a variety of turns 76 winds or meanders. Each of the turns 76 has a distance 78 on, which is parallel to the central spiral axis 72 is measured, as well as a radius 80 perpendicular to the central spiral axis 72 is measured. The distance 78 every turn 76 is preferably in a range of 10 microns to 5000 microns, wherein the distances 78 the several turns 76 all are the same or alternatively have a certain variability. The radius 80 every turn 76 is preferably in a range of 50 μm to 20 mm, and may be constant or variable (eg, increasing or decreasing) while being the central spiral axis 72 orbits. The number of turns 76 which is the spiral path 70 can vary from a few to many, but in many cases can be from two to two hundred turns 76 from the focal point 52 to go through. And depending on the number of turns 76 in the spiral route 70 and from the distance 78 from each of these turns 76 indicates the spiral path 70 a length 82 along the central spiral axis 72 which is preferably in a range of 0.5 mm to 30 mm.

Das Kreisen lassen des Laserstrahls 24, um den Brennpunkt 52 entlang der Vielzahl von Windungen 76 zu bewegen, bewirkt, dass der Brennpunkt 52 entlang der spiralförmigen Strecke 70 in einer insgesamt axialen Richtung befördert wird. Der Begriff ”insgesamt axiale Richtung” bezieht sich auf die Komponente der Bewegung des Brennpunkts 52 parallel zu der zentralen Spiralenachse 72. In Abhängigkeit von der Weise, auf welche der Brennpunkt 52 um die Vielzahl von Windungen 76 herumbewegt wird, kann der Brennpunkt 52 in eine insgesamt positive axiale Richtung 84 oder in eine insgesamt negative axiale Richtung 86 befördert werden (4). Diese zwei insgesamt axialen Richtungen 84, 86 zeigen in entgegengesetzte, jedoch ausgerichtete Richtungen, wobei die insgesamt positive axiale Richtung 84 eine Beförderung zu dem optischen Laserabtastkopf 42 hin repräsentiert (d. h. die Position des Brennpunkts 52 in der z-Richtung wird positiver (+)) und die insgesamt negative axiale Richtung 86 repräsentiert eine Beförderung weg von dem optischen Laserabtastkopf 42 (d. h. die Position des Brennpunkts 52 in der z-Richtung wird negativer (–)). Die Bewegung des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24 entlang der Vielzahl von Windungen 76 der spiralförmigen Strecke 70, um letztlich den Brennpunkt 52 in entweder die insgesamt positive axiale Richtung 84 oder in die insgesamt negative axiale Richtung 86 zu befördern, kann mit einer Geschwindigkeit stattfinden, die in einem Bereich von 0,1 Meter pro Minute (m/min) bis 100 m/min reicht.Circling the laser beam 24 to the focal point 52 along the multitude of turns 76 to move, causes the focus 52 along the spiral route 70 is conveyed in an overall axial direction. The term "total axial direction" refers to the component of the movement of the focal point 52 parallel to the central spiral axis 72 , Depending on the way in which the focus 52 around the multitude of turns 76 can be moved around, the focus 52 in an overall positive axial direction 84 or in an overall negative axial direction 86 to get promoted ( 4 ). These two overall axial directions 84 . 86 show in opposite but aligned directions, the overall positive axial direction 84 a conveyance to the optical laser scanning head 42 out (ie the position of the focus 52 in the z-direction becomes positive (+)) and the overall negative axial direction 86 represents a transport away from the laser scanning optical head 42 (ie the position of the focal point 52 in the z-direction becomes negative (-)). The movement of the focal point 52 of the laser beam 24 along the multitude of turns 76 the spiral route 70 ultimately to the focal point 52 in either the overall positive axial direction 84 or in the overall negative axial direction 86 can take place at a speed ranging from 0.1 meter per minute (m / min) to 100 m / min.

Die spiralförmige Strecke 70, entlang welcher sich der Brennpunkt 52 bewegt, kann durch den Werkstückstapel 10 hindurchlaufen, wie in 4 gezeigt ist. Auf diese Weise ist die Länge 82 der spiralförmigen Strecke 70 größer als die kombinierte Dicke der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall an dem Schweißort 16, und die spiralförmige Strecke 70, welcher der Brennpunkt 52 folgt, erstreckt sich vollständig durch das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall hindurch. Andere Anordnungen der spiralförmigen Strecke 70 neben derjenigen, die hier in 4 gezeigt ist, sind selbstverständlich möglich. In anderen Ausführungsformen kann die spiralförmige Strecke 70 beispielsweise vollständig innerhalb des Werkstückstapels 10 enthalten sein oder sie kann teilweise durch entweder das erste Werkstück 12 aus Metall oder das zweite Werkstück 14 aus Metall hindurch verlaufen. Zudem kann die spiralförmige Strecke 70 bei noch anderen Ausführungsformen über der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 oder unter der unteren Oberfläche 22 positioniert sein und kann daher anders als die vorstehend erörterten Ausführungsformen überhaupt nicht in den Werkstückstapel 10 eingreifen. Unabhängig davon, wo die spiralförmige Strecke 70 relativ zu dem Werkstückstapel 10 positioniert ist, wird die Bewegung des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24 vorzugsweise innerhalb eines Raums durchgeführt, der sich von 100 mm über der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bis zu 100 mm unter der unteren Oberfläche 22 erstreckt.The spiral path 70 along which the focal point 52 moved, can through the workpiece stack 10 go through, as in 4 is shown. That way is the length 82 the spiral route 70 greater than the combined thickness of the first and second workpieces 12 . 14 made of metal at the welding site 16 , and the spiral path 70 which is the focal point 52 follows, extends completely through the first and second workpiece 12 . 14 made of metal. Other arrangements of the spiral route 70 next to those who are in here 4 is shown, are of course possible. In other embodiments, the spiral path 70 for example, completely within the workpiece stack 10 be included or it may be partially through either the first workpiece 12 made of metal or the second workpiece 14 made of metal. In addition, the spiral-shaped track 70 in yet other embodiments above the upper surface 20 of the workpiece stack 10 or under the lower surface 22 be positioned and therefore, unlike the embodiments discussed above, not at all in the stack of workpieces 10 intervention. Regardless of where the spiraling route 70 relative to the workpiece stack 10 is positioned, the movement of the focal point 52 of the laser beam 24 preferably carried out within a space extending from 100 mm above the upper surface 20 of the workpiece stack 10 up to 100 mm below the lower surface 22 extends.

Die spiralförmige Strecke 70, der der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 folgt, kann eine Vielfalt von geometrischen Konfigurationen annehmen. Zum Beispiel kann die spiralförmige Strecke 70, wie hier in 45 gezeigt ist, eine zylindrische spiralförmige Strecke sein. In einer zylindrischen spiralförmigen Strecke ist der Radius 80 von jeder der Windungen 76 entlang der Länge 82 der spiralförmigen Strecke 70 von einem Ende der Strecke 70 zu dem anderen Ende konstant. In diesem Sinn ist der Radius 80 von jeder der Windungen 76 der zylindrischen spiralförmigen Strecke gleich. Eine zylindrische spiralförmige Strecke mit Radius (r) und Abstand (b/r) kann mathematisch durch die folgenden Parametergleichungen dargestellt werden: x(t) = rcos(t) y(t) = rsin(t) z(t) = bt The spiral path 70 that's the focal point 52 of the laser beam 24 can take on a variety of geometric configurations. For example, the spiral-shaped route 70 like here in 4 - 5 is shown to be a cylindrical spiral path. In a cylindrical spiral path is the radius 80 from each of the turns 76 along the length 82 the spiral route 70 from one end of the track 70 constant to the other end. In this sense, the radius 80 from each of the turns 76 the cylindrical spiral path equal. A cylindrical spiral path with radius (r) and distance (b / r) can be represented mathematically by the following parameter equations: x (t) = r cos (t) y (t) = rsin (t) z (t) = bt

Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, kann die spiralförmige Strecke 70 eine konische spiralförmige Strecke sein. In einer konischen spiralförmigen Strecke nimmt der Radius 80 von jeder der Windungen 76 regelmäßig entlang der Länge 80 der spiralförmigen Strecke 70 von einer Windung 761 mit einem maximalen Radius 801 an einem Ende der Strecke 70 zu einer Windung 762 mit einem minimalen Radius 802 an dem anderen Teil ab. Eine konische spiralförmige Strecke mit einer Winkelfrequenz (a), einer Höhe (h) und einem Radius (r), der mit Höhe (h) abnimmt, kann durch die folgenden Parametergleichungen mathematisch dargestellt werden: x = (h – z) / hrcos(az) y = (h – z) / hrsin(az) z = z In another exemplary embodiment, which is in 6 shown is the spiral path 70 be a conical spiral path. In a conical spiral path, the radius decreases 80 from each of the turns 76 regularly along the length 80 the spiral route 70 from a turn 761 with a maximum radius 801 at one end of the track 70 to a turn 762 with a minimum radius 802 at the other part. A conical spiral path with angular frequency (a), height (h) and radius (r) decreasing with height (h) can be mathematically represented by the following parameter equations: x = (h - z) / hrcos (az) y = (h - z) / hrsin (az) z = z

Zusätzlich zu den eben beschriebenen zylindrischen und konischen spiralförmigen Strecken kann die spiralförmige Strecke 70 auch eine Kombination aus zwei oder mehr spiralförmigen Abschnitten mit der gleichen oder einer unterschiedlichen geometrischen Konfiguration sein. Wie beispielsweise in 7 gezeigt ist, kann die spiralförmige Strecke 70 einen oberen konischen spiralförmigen Abschnitt 88 und einen unteren konischen spiralförmigen Abschnitt 90 enthalten. Die Radien 80 von jeder der Windungen 76 des oberen konischen spiralförmigen Abschnitts 88 und des unteren konischen spiralförmigen Abschnitts 90 nehmen entlang der Länge 82 der spiralförmigen Strecke 70 zueinander hin ab. Spezieller nehmen der Radius 80 von jeder der Windungen 76 des oberen konischen spiralförmigen Abschnitts 88 und der Radius 80 von jeder der Windungen 76 des unteren konischen spiralförmigen Abschnitts 90 regelmäßig in konvergierende Richtungen entlang der Länge 82 der spiralförmigen Strecke 70 von einer Windung 763 mit einem maximalen Radius 803 an einem Ende der konischen spiralförmigen Abschnitte 88, 90 zu einer Windung 764 mit einem minimalen Radius 804 an dem anderen Ende der konischen spiralförmigen Abschnitte 88, 90 ab. Die Windungen 764 von jedem der oberen und unteren konischen spiralförmigen Abschnitte 88, 90, die durch die minimalen Radien 804 definiert sind, sind entlang der zentralen Spiralenachse 72 benachbart angeordnet, während die Windungen 763, die durch die maximalen Radien 803 definiert sind, durch eine Distanz voneinander beabstandet sind, die gleich der Länge 82 der spiralförmigen Strecke 70 ist.In addition to the cylindrical and conical spiral stretches just described, the spiral path can 70 also be a combination of two or more helical sections with the same or a different geometric configuration. Such as in 7 shown is the spiral path 70 an upper conical spiral section 88 and a lower conical spiral section 90 contain. The radii 80 from each of the turns 76 of the upper conical spiral section 88 and the lower conical spiral section 90 take along the length 82 the spiral route 70 towards each other. More specifically take the radius 80 from each of the turns 76 of the upper conical spiral section 88 and the radius 80 from each of the turns 76 of the lower conical spiral section 90 regularly in converging directions along the length 82 the spiral route 70 from a turn 763 with a maximum radius 803 at one end of the conical spiral sections 88 . 90 to a turn 764 with a minimum radius 804 at the other end of the conical spiral sections 88 . 90 from. The turns 764 from each of the upper and lower conical spiral sections 88 . 90 passing through the minimum radii 804 are defined along the central spiral axis 72 arranged adjacent, while the turns 763 that by the maximum radii 803 are defined by a distance from each other which are equal to the length 82 the spiral route 70 is.

Der Laserstrahl 24 kann kreisen gelassen werden, um den Brennpunkt 52 entlang einer einzigen spiralförmigen Strecke 70 oder einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 zu bewegen, wenn die Laserschweißfügestelle 64 ausgebildet wird. Bei einer Implementierung des offenbarten Laserschweißverfahrens weist die Vielzahl von Windungen 76 einen maximalen Radius auf, der im Wesentlichen dem Radius 80 der größten Windung 76 entspricht, der groß genug ist, um zu bewirken, dass der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 in einem zweidimensionalen Verlauf voranbewegt wird, der die Bewegung des Brennpunkts 52 entlang der spiralförmigen Strecke 70 wiederspiegelt. Mit anderen Worten wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang einer zweidimensionalen Projektion der spiralförmigen Strecke 70 auf die obere Oberfläche 20 als Folge des Bewegens des Brennpunkts 52 entlang der spiralförmigen Strecke 70 voran bewegt. Ein maximaler Radius der Vielzahl von Windungen 76, der größer als 2 mm ist oder spezieller zwischen 2 mm und 20 mm liegt, ist typischerweise ausreichend, um ein wahrnehmbares Voran bewegen des Strahlpunkts 44 entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 zu verursachen und um genügend von dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall zu schmelzen, dass eine Laserschweißfügestelle 64 von geeigneter Größe erhalten werden kann, indem der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 entlang nur einer einzigen spiralförmigen Strecke 70 bewegt wird.The laser beam 24 can be circled to the focal point 52 along a single spiral route 70 or a variety of spiral stretches 70 to move when the laser welding cradle 64 is trained. In one implementation of the disclosed laser welding process, the plurality of windings 76 a maximum radius substantially equal to the radius 80 the largest turn 76 which is large enough to cause the beam spot 44 of the laser beam 24 relative to the upper surface 20 of the workpiece stack 10 is advanced in a two-dimensional progression of the movement of the focal point 52 along the spiral route 70 reflects. In other words, the beam point becomes 44 of the laser beam 24 along a two-dimensional projection of the spiral path 70 on the upper surface 20 as a result of moving the focus 52 along the spiral route 70 moving ahead. A maximum radius of the plurality of turns 76 Greater than 2 mm, or more specifically between 2 mm and 20 mm, is typically sufficient to noticeably advance the beam spot 44 along the upper surface 20 of the workpiece stack 10 to cause and enough of the first and second workpiece 12 . 14 made of metal to melt that a laser welding cradle 64 of appropriate size can be obtained by the focal point 52 of the laser beam 24 along only a single spiral path 70 is moved.

Das Kreisen lassen des Laserstrahls 24, um den Brennpunkt 52 entlang einer einzigen spiralförmigen Strecke 70 zu bewegen – entweder in die insgesamt positive axiale Richtung 84 oder in die insgesamt negative axiale Richtung 86 – während des Ausbildens der Laserschweißfügestelle 64 kann unter Verwendung einer Vielfalt von geometrischen Konfigurationen für die spiralförmige Strecke praktiziert werden. Zum Beispiel kann die spiralförmige Strecke 70 eine zylindrische spiralförmige Strecke sein (z. B. 45), sodass eine Bewegung des Brennpunkts 52 entlang der zylindrischen spiralförmigen Strecke (in jede insgesamt axiale Richtung) dazu führt, dass der Strahlpunkt 44 wiederholt in einem definierten insgesamt kreisförmigen Verlauf auf der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt wird. In diesem Beispiel ist der maximale Radius der Vielzahl von Windungen 76 gleich dem konstanten Radius 80 von jeder einzelnen Windung 76, welcher auch gleich dem Radius des resultierenden kreisförmigen Verlaufs ist, dem der Strahlpunkt 44 auf der oberen Oberfläche 20 folgt. Als weiteres Beispiel kann die spiralförmige Strecke 70 eine konische spiralförmige Strecke sein (z. B. 6), sodass eine Bewegung des Brennpunkts 52 entlang der konischen spiralförmigen Strecke (in jede insgesamt axiale Richtung) dazu führt, dass der Strahlpunkt 44 in einem definierten Spiralenverlauf auf der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt wird. Bei diesem Beispiel ist der maximale Radius der Vielzahl von Windungen 76 gleich dem Radius 801 der größten Windung 761, welcher auch gleich dem Radius des Umfangs des resultierenden spiralförmigen Verlaufs ist, dem der Strahlpunkt 44 auf der oberen Oberfläche 20 folgt.Circling the laser beam 24 to the focal point 52 along a single spiral route 70 to move - either in the overall positive axial direction 84 or in the overall negative axial direction 86 During the formation of the laser welding joint 64 can be practiced using a variety of geometric configurations for the spiral path. For example, the spiral-shaped route 70 be a cylindrical spiral path (e.g. 4 - 5 ), causing a movement of the focal point 52 along the cylindrical spiral path (in any overall axial direction) causes the beam spot 44 repeated in a defined overall circular course on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 is moved forward. In this example, the maximum radius of the plurality of turns 76 equal to the constant radius 80 from every single turn 76 which is also equal to the radius of the resulting circular course, that of the beam spot 44 on the upper surface 20 follows. As another example, the spiral path 70 be a conical spiral path (eg 6 ), causing a movement of the focal point 52 along the conical spiral path (in any overall axial direction) causes the beam point 44 in a defined spiral pattern on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 is moved forward. In this example, the maximum radius of the plurality of turns 76 equal to the radius 801 the largest turn 761 which is also equal to the radius of the circumference of the resulting spiral course, that of the beam spot 44 on the upper surface 20 follows.

Der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 kann selbstverständlich nacheinander entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 bewegt werden, auch wenn der maximale Durchmesser der spiralförmigen Strecke 70 groß genug ist, um zu bewirken, dass der Strahlpunkt 44 in einem reflektierten zweidimensionalen Verlauf entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt wird. Auf diese Weise kann der Laserstrahl 24 kreisen gelassen werden, um den Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 entlang einer ersten spiralförmigen Strecke 70 zu bewegen, um den Brennpunkt 52 in eine erste insgesamt axiale Richtung zu befördern, welche entweder die insgesamt positive oder die insgesamt negative axiale Richtung 84, 86 sein kann, und um dann den Brennpunkt 52 entlang einer zweiten spiralförmigen Strecke 70 zu bewegen, um den Brennpunkt 52 in eine zweite insgesamt axiale Richtung entgegengesetzt zu der ersten insgesamt axialen Richtung zu befördern (d. h. in die andere der insgesamt positiven oder insgesamt negativen axialen Richtungen 84, 86). Dieses Kreisen lassen des Laserstrahls 24 führt daher dazu, dass der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 abwechselnd in entgegengesetzte insgesamt axiale Richtungen entlang einer ersten spiralförmigen Strecke und einer zweiten spiralförmigen Strecke befördert wird. Darüber hinaus kann, wenn es gewünscht ist, der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 entlang zusätzlicher spiralförmiger Strecken bewegt werden (d. h. eine dritte spiralförmige Strecke, eine vierte spiralförmige Strecke und so weiter), um abwechselnd den Brennpunkt 52 vorwärts und rückwärts in insgesamt entgegengesetzte axiale Richtungen zu befördern, während der Brennpunkt 52 entlang der mehreren verschiedenen spiralförmigen Strecken 70 bewegt wird. Wenn eine Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 verwendet wird, können alle spiralförmigen Strecken hinsichtlich der Größe und der geometrischen Konfiguration gleich oder verschieden sein.The focal point 52 of the laser beam 24 may, of course, successively along a plurality of spiral stretches 70 be moved, even if the maximum diameter of the spiral path 70 is large enough to cause the beam spot 44 in a reflected two-dimensional course along the upper surface 20 of the workpiece stack 10 is moved forward. In this way, the laser beam 24 be left to the focal point 52 of the laser beam 24 along a first spiral path 70 to move to the focal point 52 to convey in a first overall axial direction, which is either the overall positive or the overall negative axial direction 84 . 86 can be, and then the focal point 52 along a second spiral route 70 to move to the focal point 52 in a second overall axial direction opposite to the first overall axial direction (ie in the other of the generally positive or generally negative axial directions 84 . 86 ). This circles let the laser beam 24 therefore causes the focus 52 of the laser beam 24 is alternately conveyed in opposite generally axial directions along a first helical path and a second helical path. In addition, if desired, the focal point 52 of the laser beam 24 along additional helical paths (ie, a third helical path, a fourth helical path, and so forth) to alternately focus 52 forward and backward in generally opposite axial directions while the focal point 52 along the several different spiral routes 70 is moved. If a variety of spiral stretches 70 may be the same or different in terms of size and geometric configuration.

In einigen Fällen, etwa wenn der maximale Radius der Vielzahl von Windungen 76 der spiralförmigen Strecke 70 kleiner als 2 mm ist, oder spezieller zwischen 50 μm und 2 mm liegt, kann es sein, dass die Bewegung des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24 entlang der spiralförmigen Strecke 70 nicht genügend von dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall schmelzt, um die Laserschweißfügestelle 64 mit einer angemessenen Größe bereitzustellen. Unter diesen Umständen kann der Laserstrahl 24 und damit der Strahlpunkt 44 zusätzlich in eine mittlere Vorwärtsrichtung 92 entlang eines Strahlbewegungsmusters 94 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt werden, um eine Laserschweißfügestelle 64 mit ausreichender Größe zu erhalten, wie allgemein in 8 gezeigt ist. Insbesondere wird der Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt, während er kreisen gelassen wird, um den Brennpunkt 52 entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 zu bewegen, um den Brennpunkt 52 abwechselnd vor und zurück in entgegengesetzte insgesamt axiale Richtungen zu befördern, während der Laserstrahl 24 entlang des Bewegungsmusters 94 voranschreitet, wie allgemein in 89 veranschaulicht ist. Jede der Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 ist zu einer benachbarten zuvor verfolgten spiralförmigen Strecke in die Richtung der Vorwärtsbewegung des Strahlpunkts 44 entlang der mittleren Vorwärtsrichtung 92 versetzt. Die spiralförmigen Strecken 70, entlang welcher der Brennpunkt 52 bewegt wird, können einander überlappen oder auch nicht.In some cases, such as when the maximum radius of the plurality of turns 76 the spiral route 70 smaller than 2 mm, or more specifically between 50 μm and 2 mm, it may be that the movement of the focal point 52 of the laser beam 24 along the spiral route 70 not enough of the first and second workpieces 12 . 14 made of metal melts around the laser welding cradle 64 with a reasonable size. Under these circumstances, the laser beam can 24 and thus the beam point 44 additionally in a middle forward direction 92 along a beam motion pattern 94 relative to the upper surface 20 of the workpiece stack 10 be advanced to a laser welding cradle 64 with sufficient size, as generally in 8th is shown. In particular, the laser beam becomes 24 relative to the upper surface 20 of the workpiece stack 10 Moved forward while being circled to the focal point 52 along a variety of spiral stretches 70 to move to the focal point 52 alternately to advance back and forth in opposite total axial directions while the laser beam 24 along the movement pattern 94 progressing, as generally in 8th - 9 is illustrated. Each of the variety of spiral stretches 70 is to an adjacent previously traced spiral path in the direction of forward movement of the beam spot 44 along the middle forward direction 92 added. The spiral stretches 70 along which the focal point 52 is moved, may or may not overlap one another.

Wie in 89 gezeigt ist, kann der Laserstrahl 24 kreisen gelassen werden, um den Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 entlang einer ersten spiralförmigen Strecke 70' zu bewegen, um den Brennpunkt 52 in eine erste insgesamt axiale Richtung zu befördern, welche entweder die insgesamt positive oder die insgesamt negative axiale Richtung 84, 86 sein kann, und um dann den Brennpunkt 52 entlang einer zweiten spiralförmigen Strecke 70'' zu bewegen, um den Brennpunkt in eine zweite insgesamt axiale Richtung entgegengesetzt zu der ersten insgesamt axialen Richtung zu befördern (d. h. die andere der insgesamt positiven oder negativen axialen Richtungen 84, 86). Eine derartige Bewegung des Brennpunkts 52 kann entlang vieler zusätzlicher spiralförmiger Strecken 70''' fortgesetzt werden, um den Brennpunkt 52 weiter abwechselnd in entgegengesetzte insgesamt axiale Richtungen vor und zurück zu befördern, während der Laserstrahl 24 in die mittlere Vorwärtsrichtung 92 entlang des Strahlbewegungsmusters 94 auf der oberen Oberfläche des Stapels 10 voranbewegt wird. Der Fokuspunkt 52 des Laserstrahls 24 kann zwischen 10 und 500 spiralförmigen Strecken 70 folgen, in Abhängigkeit von einer Vielfalt von Faktoren, die die Gestalt des Strahlbewegungsmusters 94 und den maximalen Radius der Vielzahl von Windungen 76 jeder spiralförmigen Strecke 70 umfassen. Die Größen und geometrischen Konfigurationen der vielen verschiedenen spiralförmigen Strecken 70, welche die Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 bilden, können einander ähnlich oder unähnlich sein.As in 8th - 9 The laser beam can be shown 24 be left to the focal point 52 of the laser beam 24 along a first spiral path 70 ' to move to the focal point 52 to convey in a first overall axial direction, which is either the overall positive or the overall negative axial direction 84 . 86 can be, and then the focal point 52 along a second spiral route 70 '' to move the focal point in a second overall axial direction opposite to the first overall axial direction (ie the other of the overall positive or negative axial directions 84 . 86 ). Such a movement of the focal point 52 can along many additional spiral stretches 70 ''' continue to focus 52 continue to advance alternately in opposite total axial directions back and forth while the laser beam 24 in the middle forward direction 92 along the beam motion pattern 94 on the top surface of the stack 10 is moved forward. The focus point 52 of the laser beam 24 can have between 10 and 500 spiral stretches 70 follow, depending on a variety of factors, the shape of the beam motion pattern 94 and the maximum radius of the plurality of turns 76 every spiraling route 70 include. The sizes and geometric configurations of the many different spiral stretches 70 showing the variety of spiral stretches 70 can be similar or dissimilar to each other.

Das Strahlbewegungsmuster 94, dem der Laserstrahl 24 entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 folgt, kann ein beliebiges einer großen Vielzahl von Mustern sein. Hier sind mehrere beispielhafte Strahlbewegungsmuster 94 aus der Perspektive einer zweidimensionalen Draufsicht auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 gezeigt. Zum Beispiel und mit Bezug nun auf 1015 kann das Strahlbewegungsmuster 94 unter anderem ein lineares Stichmuster (10), ein gekrümmtes oder ”C-förmiges” getackertes Muster (11), ein Kreismuster (12), ein elliptisches Muster (13), ein Spiralenmuster (14) oder ein oszillierendes Muster (15) sein. Bei dem linearen Stichmuster von 10 wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang einer linearen Schweißstrecke 96 von einem Startpunkt 98 zu einem Endpunkt 100 voranbewegt. Analog wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 in dem getackerten Muster von 11 entlang einer gekrümmten und in Umfangsrichtung offenen Schweißstrecke 102 von einem Startpunkt 104 zu einem Endpunkt 106 voranbewegt. Die gekrümmte und in Umfangsrichtung offene Schweißstrecke 102 kann eine halbkreisförmige oder halbelliptische Gestalt aufweisen.The beam motion pattern 94 to which the laser beam 24 along the upper surface 20 of the workpiece stack 10 can be any of a wide variety of patterns. Here are several exemplary beam motion patterns 94 from the perspective of a two-dimensional plan view of the upper surface 20 of the workpiece stack 10 shown. For example, and with reference now to 10 - 15 can the beam motion pattern 94 including a linear stitch pattern ( 10 ), a curved or "C-shaped" stapled pattern ( 11 ), a circular pattern ( 12 ), an elliptical pattern ( 13 ), a spiral pattern ( 14 ) or an oscillating pattern ( 15 ) be. In the linear stitch pattern of 10 becomes the beam point 44 of the laser beam 24 along a linear welding path 96 from a starting point 98 to an endpoint 100 moved forward. Analog becomes the beam point 44 of the laser beam 24 in the stapled pattern of 11 along a curved and circumferentially open welding path 102 from a starting point 104 to an endpoint 106 moved forward. The curved and circumferentially open welding path 102 may have a semicircular or semi-elliptical shape.

In dem Kreismuster von 12 wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang einer oder mehrerer kreisförmiger Schweißstrecken 108 von einem Startpunkt 110 zu einem Endpunkt 112 voranbewegt (nur auf einer der dargestellten kreisförmigen Schweißstrecken 108 gezeigt). Der Startpunkt 110 und der Endpunkt 112 der kreisförmigen Schweißstrecken können gleich sein oder alternativ können sie unterschiedlich sein. Wenn das Kreismuster darüber hinaus eine Reihe von radial beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen Schweißstrecken 108 enthält, wie in 12 gezeigt ist, kann die Anzahl der kreisförmigen Schweißstrecken 108 in einem Bereich von zwei bis zwanzig liegen. Diesbezüglich enthält die Reihe von kreisförmigen Schweißstrecken 108 eine äußerste kreisförmige Schweißstrecke 108' und eine innerste kreisförmige Schweißstrecke 108'' und alle Schweißstrecken 108 dazwischen können gleichmäßig voneinander beabstandet sein oder sie können mit variierenden Distanzen voneinander beabstandet sein. Unabhängig von der Einheitlichkeit der Abstände oder deren Fehlen liegt der Abstand zwischen radial ausgerichteten Punkten auf jedem Paar von benachbarten kreisförmigen Schweißstrecken 108 vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,8 mm. Das in 13 gezeigte elliptische Muster ähnelt in allen Materialhinsichten dem in 12 gezeigten kreisförmigen Muster einschließlich der Anzahl und der Beabstandung der Schweißstrecken mit Ausnahme der Tatsache, dass der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 im Gegensatz zu einer oder mehreren kreisförmigen Schweißstrecken entlang einer oder mehrerer elliptischer Schweißstrecken 114 von einem Startpunkt 116 zu einem Endpunkt 118 voranbewegt wird.In the circle pattern of 12 becomes the beam point 44 of the laser beam 24 along one or more circular welds 108 from a starting point 110 to an endpoint 112 moved forward (only on one of the illustrated circular welds 108 shown). The starting point 110 and the endpoint 112 the circular welds may be the same or, alternatively, they may be different. If the circular pattern also has a series of radially spaced and unconnected circular welds 108 contains, as in 12 The number of circular welds can be shown 108 in a range of two to twenty. In this regard, contains the series of circular welds 108 an outermost circular welding path 108 ' and an innermost circular welding path 108 '' and all welding paths 108 between them may be evenly spaced or may be spaced apart at varying distances. Regardless of the spacing uniformity or lack thereof, the spacing between radially aligned points is on each pair of adjacent circular welds 108 preferably between 0.01 mm and 0.8 mm. This in 13 The elliptical pattern shown here is similar in all material considerations to that in 12 shown circular pattern including the number and spacing of the welds except for the fact that the beam spot 44 of the laser beam 24 unlike one or more circular welds along one or more elliptical welding paths 114 from a starting point 116 to an endpoint 118 is moved forward.

In dem Spiralenmuster von 14 wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 von einem Startpunkt 120 zu einem Endpunkt 122 entlang einer einzigen Spiralenschweißstrecke 124 voranbewegt, die um sich selbst kreist und sich dabei radial nach außen ausdehnt, und die ferner zwischen zwei und zwanzig Windungen 126 enthält. Der Startpunkt 120 der Spiralenschweißstrecke 124 kann ein innerer Punkt 128 der innersten Windung 126' der Schweißstrecke 124 sein, und der Endpunkt 122 kann ein äußerer Punkt 130 der äußersten Windung 126'' auf der Schweißstrecke 124 sein oder umgekehrt. Die Spiralenschweißstrecke 124 kann kontinuierlich gekrümmt sein, wie in 14 gezeigt ist, und das Spiralenmuster kann ferner eine Archimedes-Spirale sein, bei welcher die Windungen 126 der Schweißstrecke 124 äquidistant voneinander beabstandet sind. Diese Distanz kann in einem Bereich von 0,01 mm bis 0,8 mm gemessen zwischen radial ausgerichteten Punkten auf jedem Paar von benachbarten Windungen 126 liegen. Alternativ kann als ein anderes Beispiel die Spiralschweißstrecke 124 in einem gleichwinkligen Spiralenmuster angeordnet sein, bei welchem benachbarte Windungen 126 der Schweißstrecke 124 fortschreitend weiter auseinanderliegen. Ein Beispiel für ein gleichwinkliges Spiralmuster ist durch die Gleichung r(θ) = e–0.1(θ) definiert, bei der Theta in Polarkoordinaten definiert ist.In the spiral pattern of 14 becomes the beam point 44 of the laser beam 24 from a starting point 120 to an endpoint 122 along a single spiral weld line 124 advancing, revolving around itself, expanding radially outward, and further between two and twenty turns 126 contains. The starting point 120 the spiral welding line 124 can be an inner point 128 the innermost turn 126 ' the welding route 124 be, and the endpoint 122 can be an outer point 130 the outermost turn 126 '' on the welding track 124 be or vice versa. The spiral welding line 124 can be continuously curved, as in 14 and the spiral pattern may further be an Archimedes spiral in which the turns 126 the welding route 124 Are equidistant from each other. This distance can be measured in a range of 0.01 mm to 0.8 mm between radially aligned points on each pair of adjacent turns 126 lie. Alternatively, as another example, the spiral welding line 124 be arranged in an equiangular spiral pattern, in which adjacent turns 126 the welding route 124 progressively further apart. An example of an equiangular spiral pattern is defined by the equation r (θ) = e -0.1 (θ) , where theta is defined in polar coordinates.

Andere Ausführungsformen des Strahlbewegungsmusters 94 zusätzlich zu denjenigen, die in 1014 gezeigt sind, werden in der Tat in Betracht gezogen. In einer derartigen anderen Ausführungsform, die in 15 dargestellt ist, kann der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang beliebiger der Muster, die in 1014 gezeigt sind, plus weiterer nicht gezeigter voranbewegt werden, während er in eine Richtung quer zu der mittleren Vorwärtsrichtung 92 des Strahlpunkts 44 vor- und zurückschwingt. Zum Beispiel kann der Strahlpunkt 44 entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 vor- und zurückschwingen, während er sich in der mittleren Vorwärtsrichtung 92 entlang der linearen Schweißstrecke 96, die in 10 gezeigt ist, der gekrümmten und in Umfangsrichtung offenen Schweißstrecke 102, die in 11 gezeigt ist, der einen oder mehreren kreisförmigen/elliptischen Schweißstrecken 108, 114, die in 1213 gezeigt sind, oder der einzelnen Spiralenschweißstrecke 124, die in 14 gezeigt ist, bewegt. Die Vorwärts- und Rückwärts-Schwingungen des Strahlpunkts 44 können wie gezeigt sinusförmig sein, sie können aber auch eine Zick-Zack-Gestalt oder eine rechteckige Gestalt oder eine andere Gestalt aufweisen. Hinsichtlich der Größe und des Abstands der Vorwärts- und Rückwärts-Schwingungen liegen sowohl die Amplitude von Spitze zu Spitze als auch die Wellenlänge der Abweichungen in Querrichtung des Strahlpunkts 44 vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 6,0 mm, während sich der Strahlpunkt 44 in die mittlere Vorwärtsrichtung 92 entlang des Strahlbewegungsmusters 94 bewegt.Other embodiments of the beam motion pattern 94 in addition to those in 10 - 14 are shown are indeed considered. In such another embodiment, which is in 15 is shown, the beam spot 44 of the laser beam 24 along any of the patterns in 10 - 14 are shown, plus further unillustrated advancing, while in a direction transverse to the central forward direction 92 of the beam spot 44 swings back and forth. For example, the beam spot 44 along the upper surface 20 of the workpiece stack 10 swinging back and forth while moving in the middle forward direction 92 along the linear welding path 96 , in the 10 is shown, the curved and circumferentially open welding path 102 , in the 11 shown, the one or more circular / elliptical welding lines 108 . 114 , in the 12 - 13 are shown, or the individual spiral welding line 124 , in the 14 shown is moved. The forward and backward vibrations of the beam spot 44 may be sinusoidal as shown, but may also have a zig-zag shape or a rectangular shape or other shape. With regard to the magnitude and spacing of the forward and backward vibrations, both the peak-to-peak amplitude and the wavelength of the transverse direction deviations of the beam spot are present 44 preferably in a range of 0.1 mm to 6.0 mm, while the beam spot 44 in the middle forward direction 92 along the beam motion pattern 94 emotional.

Mit Bezug nun auf 16 werden, während der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt wird, entweder als Folge der Größe und Gestalt der spiralförmigen Strecke 70 selbst oder als Folge des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 94 während der Laserstrahl 24 gleichzeitig kreisen gelassen wird, das Schlüsselloch 68 (falls vorhanden) und das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze, das das optionale Schlüsselloch 68 umgibt, entlang eines entsprechenden Verlaufs innerhalb des Werkstückstapels 10 und relativ zu der oberen Oberfläche 20 verschoben, da sie der Bewegung des Laserstrahls 24 folgen. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls 24 bewirkt, dass das eindringende Schmelzbad 66 aus Metallschmelze innerhalb des Werkstückstapels 10 um den Strahlpunkt 44 herum und dahinter fließt, was dazu führt, dass sich das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze im Kielwasser des sich voranbewegenden Fortschreitens des Strahlpunkts 44 verlängert. Auf das fortgesetzte Voranbewegen und/oder Anhalten des Übertragens des Laserstrahls 24 kühlt das geschmolzene Werkstückmaterial, das durch das Kreisen lassen und das optionale Voranbewegen des Laserstrahls 24 erzeugt wird, ab und erstarrt zu einem wieder erstarrten Werkstückmaterialverbund 130. Und in Abhängigkeit davon, wie der Laserstrahl 24 genau manövriert wird, kann das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze zu einer definierten Spur aus wieder erstarrtem Werkstückmaterialverbund 130 erstarren, oder es kann verschmelzen und zu einem größeren Schweißtümpel anwachsen, der zu einer konsolidierten Linse von wieder erstarrtem Werkstückmaterialverbund 130 erstarrt. Unabhängig von seiner endgültigen Gestalt und Struktur bildet der kollektive wieder erstarrte Werkstückmaterialverbund 130 die Laserschweißfügestelle 64 aus, welche die Werkstücke 12, 14 aus Metall an dem Schweißort 16 miteinander durch autogenes Schmelzschweißen verbindet.With reference now to 16 be while the beam point 44 of the laser beam 24 along the upper surface 20 of the workpiece stack 10 advancing, either as a result of the size and shape of the spiral path 70 itself or as a result of advancing the laser beam 24 along the beam motion pattern 94 while the laser beam 24 circling simultaneously, the keyhole 68 (if available) and the molten bath 66 made of molten metal, which is the optional keyhole 68 surrounds, along a corresponding course within the workpiece stack 10 and relative to the upper surface 20 moved because of the movement of the laser beam 24 consequences. This advancing the laser beam 24 causes the penetrating molten bath 66 from molten metal within the workpiece stack 10 around the beam point 44 flows around and behind, which causes the molten pool 66 molten metal in the wake of the advancing advancement of the beam spot 44 extended. On the continued advancement and / or stopping of the transfer of the laser beam 24 Cooling the molten workpiece material that is caused by the circling and the optional advancement of the laser beam 24 is generated, and solidifies to a re-solidified workpiece material composite 130 , And depending on how the laser beam 24 is precisely maneuvered, the molten bath 66 from molten metal to a defined track of re-solidified workpiece material composite 130 solidify, or it may merge and grow into a larger pool of sweat that has become a consolidated lens of resolidified workpiece material composite 130 stiffens. Regardless of its final shape and structure, the collective resolidifies workpiece material composite 130 the laser welding frame 64 from which the workpieces 12 . 14 made of metal at the welding site 16 interconnected by autogenous fusion welding.

Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 68 und des umgebenden Schmelzbads 66 aus Metallschmelze wird während des Kreisenlassens und des optionalen Voranbewegens des Strahlpunkts 44 des Laserstrahls 24 gesteuert, um sicherzustellen, dass die Werkstücke 12, 14 aus Metall miteinander durch die Laserschweißfügestelle 64 schmelzverschweißt werden. Insbesondere dringen, wie vorstehend erwähnt wurde, das Schlüsselloch 68 (falls vorhanden) und das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze in den Werkstückstapel 10 ein und schneiden die Stoßschnittstelle 34, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall gebildet wurde. Das Schlüsselloch 68 und das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze können den Werkstückstapel 10 vollständig oder teilweise durchdringen. Beispielsweise durchdringen in einer bevorzugten Ausführungsform das Schlüsselloch 68 und das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze den Werkstückstapel 10 vollständig, wenn das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Stahl sind, aber sie durchdringen den Werkstückstapel 10 nur teilweise, wenn das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Aluminium sind. Ein Schlüsselloch 68 und ein Schmelzbad 66 aus Metallschmelze, die vollständig eindringen, erstrecken sich vollständig durch das erste und zweite Werkstück aus Metall hindurch von der oberen Oberfläche 20 zu der unteren Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10, wie in 2 dargestellt ist. Ein Schlüsselloch 68 und ein Schmelzbad 66 aus Metallschmelze, die teilweise eindringen, erstrecken sich andererseits vollständig durch das erste Werkstück 12 aus Metall hindurch, aber nur teilweise durch das zweite Werkstück 14 aus Metall, wie in 2A dargestellt ist.The penetration depth of the keyhole 68 and the surrounding melt pool 66 molten metal becomes during the circulation and optional advancement of the beam spot 44 of the laser beam 24 controlled to ensure that the workpieces 12 . 14 made of metal with each other through the laser welding joint 64 melt-welded. In particular, as mentioned above, the keyhole penetrates 68 (if available) and the molten bath 66 from molten metal into the workpiece stack 10 and cut the shock interface 34 between the first and second workpiece 12 . 14 made of metal. The keyhole 68 and the molten bath 66 from molten metal can stack the workpiece 10 penetrate completely or partially. For example, in a preferred embodiment, the keyhole penetrates 68 and the molten bath 66 from molten metal the workpiece stack 10 complete when the first and second workpiece 12 . 14 made of metal workpieces are made of steel, but they penetrate the workpiece stack 10 only partially if the first and second workpiece 12 . 14 made of metal workpieces are made of aluminum. A keyhole 68 and a molten bath 66 molten metal, which completely penetrate, extend completely through the first and second metal workpieces from the upper surface 20 to the lower surface 22 of the workpiece stack 10 , as in 2 is shown. A keyhole 68 and a molten bath 66 On the other hand, molten metal, which partially penetrate, extend completely through the first workpiece 12 made of metal, but only partially through the second workpiece 14 made of metal, as in 2A is shown.

116 veranschaulichen die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des offenbarten Laserschweißverfahrens in dem Kontext eines Werkstückstapels 10, der ein ”2T”-Stapel ist, der nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall mit deren einziger Stoßschnittstelle 34 enthält. Das gleiche Laserschweißverfahren kann jedoch auch ausgeführt werden, wenn der Werkstückstapel 10 ein ”3T”-Stapel ist, der ein zusätzliches drittes Werkstück 150 aus Metall enthält, das eine Dicke 151 aufweist und das sich mit dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall überlappt und dazwischen angeordnet ist, wie in 1718 dargestellt ist. In der Tat muss unabhängig davon, ob der Werkstückstapel 10 ein 2T- oder ein 3T-Stapel ist, das Laserschweißverfahren nicht besonders stark modifiziert werden, um die Laserschweißfügestelle 64 auszubilden. Und in jedem Fall kann die Laserschweißfügestelle 64 gute mechanische Eigenschaften erreichen, indem der Laserstrahl 24 kreisen gelassen wird, um den Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 entlang mindestens einer spiralförmigen Strecke 70 zu bewegen, die eine zentrale Spiralenachse 72 aufweist, die quer zu der oberen und unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels orientiert ist, zusätzlich zu dem optionalen Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang eines Strahlbewegungsmusters 94 in bestimmten Situationen, wie vorstehend im Detail beschrieben ist. 1 - 16 illustrate the above-described embodiments of the disclosed laser welding method in the context of a workpiece stack 10 which is a "2T" stack containing only the first and second workpieces 12 . 14 made of metal with its only impact interface 34 contains. However, the same laser welding process can also be performed when the workpiece stack 10 is a "3T" stack, which is an additional third piece 150 Made of metal that has a thickness 151 and that with the first and second workpiece 12 . 14 overlapped metal and interposed, as in 17 - 18 is shown. In fact, regardless of whether the workpiece stack needs 10 a 2T or a 3T stack, the laser welding process is not particularly heavily modified around the laser welding interface 64 train. And in any case, the laser welding cradle 64 achieve good mechanical properties by the laser beam 24 circling is the focal point 52 of the laser beam 24 along at least one spiral path 70 to move, which is a central spiral axis 72 which is transverse to the upper and lower surfaces 20 . 22 of the workpiece stack, in addition to the optional advancement of the laser beam 24 along a beam motion pattern 94 in certain situations, as described in detail above.

Mit Bezug nun auf 17 enthält das zusätzliche dritte Werkstück 150 aus Metall, wenn vorhanden, ein drittes Basismetallsubstrat 152, das optional mit der gleichen Oberflächenbeschichtung 40, die vorstehend beschrieben ist, beschichtet sein kann. Wenn der Werkstückstapel 10 die ersten, zweiten und dritten sich überlappenden Werkstücke 12, 14, 150 aus Metall enthält, kann das Basismetallsubstrat 36, 38, 152 von mindestens einem der Werkstücke 12, 14, 150 und manchmal von allen die Oberflächenbeschichtung 40 enthalten. Bezüglich der Eigenschaften (z. B. Zusammensetzung, Dicke, usw.) des dritten Basismetallsubstrats 152 sind die vorstehenden Beschreibungen hinsichtlich des ersten und zweiten Basismetallsubstrats 36, 38 der gleichen Basismetallgruppe (d. h. Stahl oder Aluminium) gleichermaßen auch auf das Substrat 152 anwendbar. Es soll jedoch erwähnt werden, dass, obwohl die gleichen allgemeinen Beschreibungen auf die mehreren Werkstücke 12, 14, 150 aus Metall zutreffen, es keine Notwendigkeit dafür gibt, dass die Werkstücke 12, 14, 150 aus Metall zueinander identisch sind. In vielen Fällen unterscheiden sich das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 14, 150 aus Metall in irgendeinem Aspekt, sei es die Zusammensetzung, die Dicke und/oder die Form, trotzdem sie in der gleichen Basismetallgruppe sind.With reference now to 17 contains the additional third workpiece 150 metal, if present, a third base metal substrate 152 that optionally with the same surface coating 40 , which is described above, may be coated. When the workpiece stack 10 the first, second and third overlapping workpieces 12 . 14 . 150 made of metal, the base metal substrate 36 . 38 . 152 of at least one of the workpieces 12 . 14 . 150 and sometimes from all the surface coating 40 contain. Regarding the properties (e.g., composition, thickness, etc.) of the third base metal substrate 152 The above descriptions are as to the first and second base metal substrates 36 . 38 the same base metal group (ie steel or aluminum) equally on the substrate 152 applicable. It should be noted, however, that although the same general descriptions apply to the several workpieces 12 . 14 . 150 Made of metal, there is no need for the workpieces 12 . 14 . 150 made of metal are identical to each other. In many cases, the first, second and third workpieces differ 12 . 14 . 150 of metal in any aspect, be it composition, thickness and / or shape, despite being in the same base metal group.

Als Folge des Stapelns des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 14, 150 aus Metall in sich überlappender Weise, um den Werkstückstapel 10 bereitzustellen, weist das dritte Werkstück 150 aus Metall zwei Stoßoberflächen 154, 156 auf. Eine der Stoßoberflächen 154 überlappt sich mit der Stoßoberfläche 28 des ersten Werkstücks 12 aus Metall und liegt dieser gegenüber, und die andere Stoßoberfläche 156 überlappt sich mit der zweiten Stoßoberfläche 32 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall und liegt dieser gegenüber, wodurch zwei Stoßschnittstellen 158, 160 innerhalb des Werkstückstapels 10 gebildet werden, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstrecken. Diese Stoßschnittstellen 158, 160 sind von dem gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die bereits vorstehend mit Bezug auf 116 beschrieben wurde. Folglich weisen in dieser hier beschriebenen Ausführungsform die äußeren Außenoberflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall immer noch voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und bilden die obere und untere Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10.As a result of stacking the first, second and third workpieces 12 . 14 . 150 made of metal in an overlapping manner to the workpiece stack 10 to provide, has the third workpiece 150 made of metal two impact surfaces 154 . 156 on. One of the shock surfaces 154 overlaps with the impact surface 28 of the first workpiece 12 made of metal and facing this, and the other impact surface 156 overlaps with the second impact surface 32 of the second workpiece 14 made of metal and facing it, creating two shock interfaces 158 . 160 within the workpiece stack 10 be formed, extending through the welding site 16 extend through. These bump interfaces 158 . 160 are of the same type and have the same attributes as the shock interface 34 already referred to above with reference to 1 - 16 has been described. Thus, in this embodiment described herein, the outer exterior surfaces 26 . 30 the flanking first and second workpieces 12 . 14 metal still away from each other in opposite directions, forming the top and bottom surfaces 20 . 22 of the workpiece stack 10 ,

Die Laserschweißfügestelle 64 wird in dem ”3T”-Werkstückstapel 10 durch den Laserstrahl 24 auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Insbesondere wird der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 (auch die äußere Außenoberfläche des ersten Werkstücks 12 aus Metall) gelenkt und trifft darauf auf. Die Absorption der fokussierten Energie des Laserstrahls 24 erzeugt das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze und optional das Schlüsselloch 68 innerhalb des Schmelzbads 66 unter dem Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24. Das Schlüsselloch 68 und das Schmelzbad 66 aus Metallschmelze dringen von der oberen Oberfläche 20 aus in den Werkstückstapel 10 in Richtung der unteren Oberfläche 22 entweder vollständig oder teilweise ein und schneiden jede der Stoßschnittstellen 158, 160, die innerhalb des Stapels 10 ausgebildet sind. Sobald der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft oder kurz danach wird der Laserstrahl 24 kreisen gelassen, um den Brennpunkt 52 des Strahls 24 entlang mindestens einer spiralförmigen Strecke 70 zu bewegen. Die Bewegung des Brennpunkts 52 entlang der spiralförmigen Strecke 70 führt dazu, dass sich der Brennpunkt 52 um die zentrale Spiralenachse 72 herum entlang einer Vielzahl von Windungen 76 windet. Die spiralförmige Strecke 70, der der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 folgt, kann eine Vielfalt von geometrischen Konfigurationen annehmen, einschließlich derjenigen speziellen Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind.The laser welding frame 64 gets in the "3T" workpiece stack 10 through the laser beam 24 formed in the same manner as described above. In particular, the laser beam becomes 24 on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 (Also the outer outer surface of the first workpiece 12 made of metal) and meets it. The absorption of the focused energy of the laser beam 24 creates the molten bath 66 made of molten metal and optionally the keyhole 68 within the molten bath 66 under the beam spot 44 of the laser beam 24 , The keyhole 68 and the molten bath 66 from molten metal penetrate from the upper surface 20 out into the workpiece stack 10 towards the lower surface 22 either fully or partially and intersect each of the bump interfaces 158 . 160 that are inside the stack 10 are formed. As soon as the laser beam 24 on the upper surface 20 of the workpiece stack 10 impinges or shortly afterwards the laser beam 24 circled to the focal point 52 of the beam 24 along at least one spiral path 70 to move. The movement of the focal point 52 along the spiral route 70 causes the focus 52 around the central spiral axis 72 around along a variety of turns 76 winds. The spiral path 70 that's the focal point 52 of the laser beam 24 may take on a variety of geometric configurations, including those specific embodiments described above.

Der Brennpunkt 52 kann entlang einer einzigen spiralförmigen Strecke 70 oder einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 während des Ausbildens der Laserschweißfügestelle 64 bewegt werden. Der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 kann einer einzigen spiralförmigen Strecke 70 folgen, wenn beispielsweise der maximale Radius der Vielzahl von Windungen 76 groß genug ist, um zu veranlassen, dass der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 in einem zweidimensionalen Verlauf voranbewegt wird, der die Bewegung des Brennpunkts 52 entlang der spiralförmigen Strecke 70 wiederspiegelt, um eine Laserschweißfügestelle 64 mit angemessener Größe auszubilden. In anderen Szenarien, etwa wenn der maximale Radius der Vielzahl von Windungen 76 relativ klein ist, können der Laserstrahl 24 und damit der Strahlpunkt 44 in die mittlere Vorwärtsrichtung 92 entlang des Strahlbewegungsmusters 94 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt werden, während er gleichzeitig kreisen gelassen wird, um den Brennpunkt 52 entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken 70 abwechselnd in insgesamt entgegengesetzte axiale Richtungen vor- und zurückzubefördern, während der Laserstrahl 24 entlang des Bewegungsmusters 94 voranschreitet. Dieses zusätzliche Manövrieren des Laserstrahls 24 trägt dazu bei, dass letztendlich eine Laserschweißfügestelle 64 von ausreichender Größe erhalten wird. In jedem Fall enthält, wie in 18 dargestellt ist, die resultierende Laserschweißfügestelle 64, die durch den Laserstrahl 24 ausgebildet ist, einen wieder erstarrten Werkstückmaterialverbund 130 – welcher von jedem der Werkstücke 12, 14, 150 aus Metall stammt – und dient folglich zum autogenen Schmelzverschweißen des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 14, 150 aus Metall am Schweißort 16.The focal point 52 can along a single spiral route 70 or a variety of spiral stretches 70 during the formation of the laser welding joint 64 to be moved. The focal point 52 of the laser beam 24 can be a single spiral route 70 if, for example, the maximum radius of the plurality of turns 76 is large enough to cause the beam spot 44 of the laser beam 24 relative to the upper surface 20 of the workpiece stack 10 is advanced in a two-dimensional progression of the movement of the focal point 52 along the spiral route 70 reflects to a laser welding cradle 64 to train with reasonable size. In other scenarios, such as when the maximum radius of the plurality of turns 76 is relatively small, the laser beam can 24 and thus the beam point 44 in the middle forward direction 92 along the beam motion pattern 94 relative to the upper surface 20 of the workpiece stack 10 moving forward while being circled simultaneously to the focal point 52 along a variety of spiral stretches 70 alternately back and forth in generally opposite axial directions while the laser beam 24 along the movement pattern 94 progresses. This additional maneuvering of the laser beam 24 contributes to the fact that ultimately a laser welding joint 64 of sufficient size is obtained. In any case, as in 18 is shown, the resulting laser welding joint 64 passing through the laser beam 24 is formed, a re-solidified workpiece material composite 130 - Which of each of the workpieces 12 . 14 . 150 made of metal - and thus serves for autogenous fusion welding of the first, second and third workpiece 12 . 14 . 150 made of metal at the welding site 16 ,

Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und speziellen Beispielen dienen nur zur Beschreibung; sie sollen den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jedem der Begriffe, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, soll seine gewöhnliche und allgemeine Bedeutung gegeben werden, sofern es nicht speziell und eindeutig in der Beschreibung anderweitig angegeben ist.The foregoing description of preferred exemplary embodiments and specific examples are for description only; they are not intended to limit the scope of the following claims. Each of the terms used in the appended claims is to be given their ordinary and general meaning unless specifically and clearly indicated otherwise in the description.

Claims (10)

Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfasst, wobei das erste Werkstück aus Metall eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar von benachbarten, sich überlappenden Werkstücken aus Metall innerhalb des Werkstückstapels gebildet wird, und wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Stahl oder Werkstücke aus Aluminium sind; ein Laserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird, wobei der Laserstrahl auf die obere Oberfläche auftrifft und ein Schmelzbad aus Metallschmelze erzeugt, das in den Werkstückstapel hinein von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin eindringt und das jede Stoßschnittstelle schneidet, die innerhalb des Werkstückstapels gebildet ist; der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um einen Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer spiralförmigen Strecke zu bewegen, die eine zentrale Spiralenachse aufweist, die quer zu der oberen und unteren Oberfläche des Werkstückstapels orientiert ist, wobei die Bewegung des Brennpunkts des Laserstrahls entlang der spiralförmigen Strecke dazu führt, dass sich der Brennpunkt um die zentrale Spiralenachse herum entlang einer Vielzahl von Windungen der spiralförmigen Strecke windet, wobei jede der Vielzahl von Windungen einen Abstand aufweist, der parallel zu der zentralen Spiralenachse der spiralförmigen Strecke gemessen wird; und das Übertragen des Laserstrahls auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels angehalten wird, um eine Laserschweißfügestelle auszubilden, die aus einem wieder erstarrtem Werkstückmaterialverbund besteht, der von jedem der Werkstücke aus Metall stammt, die von dem Schmelzbad aus Metallschmelze durchdrungen werden, wobei die Laserschweißfügestelle alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall miteinander durch Schmelzschweißen verbindet.A method of laser welding a stack of workpieces comprising at least two overlapping workpieces of metal, the method comprising: a workpiece stack is provided which includes overlapping workpieces of metal, the workpiece stack comprising at least a first metal workpiece and a second metal workpiece, the first metal workpiece providing an upper surface of the workpiece stack and the second metal workpiece a lower workpiece Providing a surface of the workpiece stack, wherein a butting interface is formed between each pair of adjacent overlapping metal workpieces within the workpiece stack, and wherein all overlapping metal workpieces of the workpiece stack are steel workpieces or aluminum workpieces; directing a laser beam onto the top surface of the workpiece stack, the laser beam impinging on the top surface and creating a molten pool of molten metal which penetrates into the stack of workpieces from the top surface to the bottom surface and which intersects each impact interface within the workpiece stack is formed; the laser beam is circulated to move a focal point of the laser beam along a helical path having a central spiral axis oriented transverse to the top and bottom surfaces of the workpiece stack, the movement of the focal point of the laser beam along the helical path thereto in that the focus winds around the central spiral axis along a plurality of turns of the spiral path, each of the plurality of turns having a distance measured parallel to the central spiral axis of the spiral path; and halting the transfer of the laser beam to the upper surface of the workpiece stack to form a laser welding joint consisting of a resolidified workpiece material composite originating from each of the metal workpieces penetrated by the molten metal pool, the laser welding joints all overlapping each other Workpieces made of metal joined together by fusion welding. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Metall eine äußere Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Metall eine äußere Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die äußere Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Metall die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die äußere Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Metall die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und wobei sich die erste und zweite Stoßoberfläche des ersten und zweiten Werkstücks aus Metall überlappen und einander gegenüberliegen, um die Stoßschnittstelle zu bilden.The method of claim 1, wherein said the first metal workpiece has an outer outer surface and a first impact surface, and the second metal workpiece has an outer outer surface and a second impact surface, wherein the outer outer surface of the first metal workpiece provides the upper surface of the workpiece stack and the outer outer surface of the second workpiece Metal provides the lower surface of the workpiece stack and wherein the first and second impact surfaces of the first and second metal workpieces overlap and face each other to form the impact interface. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Metall eine äußere Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Metall eine äußere Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die äußere Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Metall die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die äußere Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Metall die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Werkstück aus Metall umfasst, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall angeordnet ist, wobei das dritte Werkstück aus Metall einander entgegengesetzte Stoßoberflächen aufweist, von denen sich eine mit der ersten Stoßoberfläche des ersten Werkstücks aus Metall überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle herzustellen, und sich die andere mit der zweiten Stoßoberfläche des zweiten Werkstücks aus Metall überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle herzustellen.The method of claim 1, wherein the first metal workpiece has an outer outer surface and a first impact surface and the second metal workpiece has an outer outer surface and a second impact surface, wherein the outer outer surface of the first metal workpiece provides the upper surface of the workpiece stack and the outer outer surface of the second metal workpiece provides the lower surface of the workpiece stack, and wherein the workpiece stack comprises a third metal workpiece interposed between the first and second metal workpiece, the third metal workpiece having opposing abutting surfaces one overlapping and facing the first abutting surface of the first metal workpiece to produce a first abutting interface and the other abutting the second abutting surface of the second workpiece Metal overlaps and faces this to create a second shock interface. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kreisenlassen des Laserstrahls umfasst, dass: der Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer ersten spiralförmigen Strecke bewegt wird, die eine erste zentrale Spiralenachse aufweist, wobei die Bewegung des Brennpunkts des Laserstrahls entlang der ersten spiralförmigen Strecke dazu führt, dass sich der Brennpunkt um die erste zentrale Spiralenachse herum entlang einer Vielzahl von ersten Windungen der ersten spiralförmigen Strecke in eine erste insgesamt axiale Richtung windet; und der Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer zweiten spiralförmigen Strecke bewegt wird, die eine zweite zentrale Spiralenachse aufweist, wobei die Bewegung des Brennpunkts des Laserstrahls entlang der zweiten spiralförmigen Strecke dazu führt, dass sich der Brennpunkt um die zweite zentrale Spiralenachse herum entlang einer Vielzahl von zweiten Windungen der zweiten spiralförmigen Strecke in eine zweite insgesamt axiale Richtung entgegengesetzt zu der ersten insgesamt axialen Richtung windet.The method of claim 1, wherein the cycling of the laser beam comprises: the focal point of the laser beam is moved along a first helical path having a first central spiral axis, the movement of the focal point of the laser beam along the first helical path causing the focus to be about the first central helical axis along a plurality of first turns the first helical path winds in a first overall axial direction; and the focal point of the laser beam is moved along a second spiral path having a second central spiral axis, the movement of the focal point of the laser beam along the second spiral path causing the focus to be about the second central spiral axis along a plurality of second turns the second helical path winds in a second overall axial direction opposite to the first overall axial direction. Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass: der Laserstrahl entlang eines Strahlbewegungsmusters relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt wird, während der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um den Brennpunkt des Laserstrahls abwechselnd in eine erste insgesamt axiale Richtung und die zweite insgesamt axiale Richtung entlang der ersten spiralförmigen Strecke bzw. der zweiten spiralförmigen Strecke zu befördern.The method of claim 4, further comprising: the laser beam is advanced along a beam movement pattern relative to the upper surface of the workpiece stack while the laser beam is orbited to alternate the focal point of the laser beam in a first overall axial direction and the second overall axial direction along the first helical path and the second helical path, respectively Route to convey. Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfasst, dass: das Bewegen des Brennpunkts des Laserstrahls entlang zusätzlicher spiralförmiger Strecken nach der ersten und zweiten spiralförmigen Strecke fortgesetzt wird, um mit dem abwechselnden Befördern des Brennpunkts in die erste insgesamt axiale Richtung und die zweite insgesamt axiale Richtung fortzufahren, während der Laserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird.The method of claim 5, further comprising: continuing to move the focal point of the laser beam along additional helical paths after the first and second helical paths to proceed with alternately conveying the focal point in the first overall axial direction and the second overall axial direction as the laser beam advances along the beam motion pattern. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Schlüsselloch innerhalb des Schmelzbads aus Metallschmelze durch den Laserstrahl erzeugt wird.The method of claim 1, wherein a keyhole within the molten pool of molten metal is generated by the laser beam. Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfasst, wobei das erste Werkstück aus Metall eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Metall innerhalb des Werkstückstapels gebildet wird und wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Stahl oder Werkstücke aus Aluminium sind; ein Festkörperlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels unter Verwendung einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne gelenkt wird, wobei der Laserstrahl auf die obere Oberfläche auftrifft und ein Schlüsselloch und ein Schmelzbad aus Metallschmelze, das das Schlüsselloch umgibt, erzeugt, wobei sowohl das Schlüsselloch als auch das Schmelzbad aus Metallschmelze in den Werkstückstapel von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin eindringen und jede Stoßschnittstelle schneiden, die innerhalb des Werkstückstapels ausgebildet ist; der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um einen Brennpunkt des Laserstrahls abwechselnd entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken zu bewegen, die mindestens eine erste spiralförmige Strecke und eine zweite spiralförmige Strecke umfasst, um den Brennpunkt in eine erste insgesamt axiale Richtung bzw. eine zweite insgesamt axiale Richtung vorwärts und zurück zu befördern, wobei die Bewegung des Brennpunkts entlang der ersten spiralförmigen Strecke dazu führt, dass sich der Brennpunkt um eine erste zentrale Spiralenachse herum entlang einer Vielzahl von ersten Windungen in die erste insgesamt axiale Richtung windet, und die Bewegung des Brennpunkts entlang der zweiten spiralförmigen Strecke dazu führt, dass sich der Brennpunkt um eine zweite zentrale Spiralenachse herum entlang einer Vielzahl von zweiten Windungen in die zweite insgesamt axiale Richtung windet, die entgegengesetzt zu der ersten insgesamt axialen Richtung ist, wobei sowohl die erste zentrale Spiralenachse als auch die zweite zentrale Spiralenachse quer zu der oberen und unteren Oberfläche des Werkstückstapels orientiert sind; und der Laserstrahl entlang eines Strahlbewegungsmusters relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt wird, um das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Metallschmelze entlang eines entsprechenden Verlaufs innerhalb des Werkstückstapels zu verschieben, während der Laserstrahl kreisen gelassen wird, um den Brennpunkt des Laserstrahls entlang der Vielzahl der spiralförmigen Strecken zu bewegen.A method of laser welding a stack of workpieces including at least two overlapping workpieces of metal, the method comprising: providing a stack of workpieces containing overlapping workpieces of metal, the work stack comprising at least a first metal workpiece and a second workpiece Metal, wherein the first metal workpiece provides an upper surface of the workpiece stack and the second metal workpiece provides a lower surface of the workpiece stack forming a butt interface between each pair of adjacent overlapping metal workpieces within the workpiece stack and all overlapping Workpieces of metal of the workpiece stack are workpieces of steel or workpieces of aluminum; directing a solid laser beam onto the upper surface of the workpiece stack remotely using a laser welding apparatus, the laser beam impinging on the upper surface and creating a keyhole and molten metal molten pool surrounding the keyhole, both the keyhole and the keyhole the melted molten metal bath penetrates into the workpiece stack from the upper surface toward the lower surface and intersects each impact interface formed within the workpiece stack; the laser beam is circulated to alternately move a focal point of the laser beam along a plurality of helical paths including at least a first helical path and a second helical path to make the focal point into a first overall axial one The movement of the focal point along the first helical path causes the focus to wind about a first central helical axis along a plurality of first turns in the first overall axial direction and the movement of the focal point along the second helical path causes the focus to wind about a second central helical axis along a plurality of second turns in the second overall axial direction opposite to the first overall axial direction, both the first central spiral axis and the second central spiral axis are oriented transversely to the upper and lower surfaces of the stack of workpieces; and advancing the laser beam along a beam movement pattern relative to the upper surface of the workpiece stack to displace the keyhole and surrounding molten pool of molten metal along a corresponding course within the workpiece stack while the laser beam is orbiting to the focal point of the laser beam along the plurality to move the spiral stretches. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das abwechselnde Bewegen des Brennpunkts des Laserstrahls entlang der Vielzahl von spiralförmigen Strecken innerhalb eines Raums ausgeführt wird, der sich von 100 mm unter der unteren Oberfläche des Werkstückstapels bis zu 100 mm über der oberen Oberfläche des Werkstückstapels erstreckt.The method of claim 8, wherein alternately moving the focal point of the laser beam along the plurality of helical paths is performed within a space extending from 100 mm below the bottom surface of the workpiece stack up to 100 mm above the top surface of the workpiece stack. Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstück aus Metall enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfasst, wobei das erste Werkstück aus Metall eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Metall innerhalb des Werkstückstapels gebildet wird, und wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Stahl oder Werkstücke aus Aluminium sind; ein optischer Laserabtastkopf betrieben wird, um einen Festkörperlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels zu lenken, wobei der Laserstrahl ein Schüsselloch innerhalb des Werkstückstapels ausbildet, das in den Werkstückstapel hinein von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin eindringt und jede Stoßschnittstelle, die innerhalb des Werkstückstapels gebildet ist, schneidet; der optische Laserabtastkopf betrieben wird, um eine Laserschweißfügestelle auszubilden, die die sich überlappenden Werkstücke aus Metall miteinander durch Schmelzschweißen verbindet, indem der Laserstrahl entlang eines Strahlbewegungsmusters relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt wird, wodurch das Schlüsselloch entlang eines entsprechenden Verlaufs innerhalb des Werkstückstapels verschoben wird, und der Laserstrahl ferner kreisen gelassen wird, um einen Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer Vielzahl von spiralförmigen Strecken zu bewegen, von denen jede eine zentrale Spiralenachse aufweist, die quer zu der oberen und unteren Oberfläche des Werkstückstapels orientiert ist, um den Brennpunkt abwechselnd in eine erste insgesamt axiale Richtung und eine zweite insgesamt axiale Richtung zu befördern, während der Laserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird.A method of laser welding a stack of workpieces comprising at least two overlapping workpieces of metal, the method comprising: a workpiece stack is provided which includes overlapping metal workpiece, the workpiece stack comprising at least a first metal workpiece and a second metal workpiece, the first metal workpiece providing an upper surface of the workpiece stack and the second metal workpiece a lower workpiece Providing surface of the workpiece stack, wherein a butt interface is formed between each pair of adjacent overlapping workpieces of metal within the workpiece stack, and wherein all of the overlapping workpieces of metal of the workpiece stack are workpieces of steel or workpieces of aluminum; operating an optical laser scanning head to direct a solid state laser beam onto the upper surface of the workpiece stack, the laser beam forming a bowl hole within the workpiece stack penetrating into the workpiece stack from the upper surface toward the lower surface; and each impact interface disposed within the workpiece stack is formed, cuts; operating the laser scanning optical head to form a laser welding joint by fusion bonding the overlapping metal workpieces by advancing the laser beam along a beam movement pattern relative to the upper surface of the workpiece stack, thereby displacing the keyhole along a corresponding course within the workpiece stack and the laser beam is further circulated to move a focal point of the laser beam along a plurality of helical paths, each of which has a central spiral axis oriented transverse to the top and bottom surfaces of the workpiece stack, to alternate the focal point in FIG to convey a first overall axial direction and a second overall axial direction as the laser beam advances along the beam motion pattern.
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