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Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine
Vorrichtung zum Verschweißen von Metallbauteilen bei
welchem die Metallbauteile im Schweißnahtbereich mit
Hilfe mindestens eines Schweißstrahls aufgeschmolzen
werden.
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Das Strahlschweißen gewinnt in zunehmendem Maße höhere
Bedeutung bei der Verbindung von Metallbauteilen über
eine Schweißnaht.
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Unter Strahlschweißverfahren versteht man im wesentlichen
das Laserstrahlschweißen und das
Elektronenstrahlschweißen, wobei dem Laserstrahlschweißen
eine wirtschaftlich größere Bedeutung zukommt. Im
weiteren wird in der Regel vom Laserstrahlschweißen die
Rede sein, was jedoch nicht als Einschränkung der
erfindungsgemäßen Lehre zu verstehen ist.
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Beim Laserstrahlschweißen ebenso wie beim
Elektrodenstrahlschweißen ermöglichen Strahlintensitäten
oberhalb von etwa 2.106 W/cm2 das Arbeiten im sogenannten
Tiefschweißmode, in dem sich die Prozesswärme
gleichförmig über die gesamte Fügetiefe verteilt.
Hierdurch lassen sich beim Laserstrahlschweißen hohe
Prozessgeschwindigkeiten für die Herstellung von
Schweißnähten herstellen, was für den wirtschaftlichen
Einsatz von Hochleistungslasern ausschlaggebend ist.
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Es ist weiter bekannt, zum Beispiel das
Laserstrahlschweißen mit dem Lichtbogenschweißen zu
kombinieren, vgl. Christof Maier "Laserstrahl-Lichtbogen-
Hybridschweißen von Aluminiumwerkstoffen", Shaker Verlag,
Aachen 1999. Man spricht dann von sogenannten
Hybridschweißverfahren.
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Weiter ist es bekannt, mit zwei neben- oder
hintereinander angeordneten Laserstrahlen im
Tiefschweißmode von einer Seite (Doppelstrahlschweißen)
oder von beiden Seiten (Simultanschweißen) zu arbeiten.
Hierdurch wird die Prozessstabilität verbessert und eine
Porenreduktion gewährleistet.
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Die beim Strahlschweißen erzielbaren hohen
Prozessgeschwindigkeiten führen dazu, dass sich die
Strahlschweißverfahren insbesondere zur Herstellung von
großen Schweißnahtlängen eignen. Derartige große
Schweißnahtlängen treten beispielsweise bei der
Herstellung von sogenannten "Tailored Blanks" auf. Unter
"Tailored Blanks" versteht man ebene Metallbauteile,
beispielsweise Bleche, die aus verschiedenartigen,
insbesondere verschieden dicken Teilen bestehen. Häufig
werden diese "Tailored Blanks" dadurch hergestellt, dass
die verschiedenen Teile im Stumpfstoß bzw. I-Stoß als
Stumpfnaht verschweißt werden. Zur Herstellung dieser
Schweißverbindung eignen sich aus den bereits genannten
Gründen die Strahlschweißverfahren.
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Ein weiterer Anwendungsbereich für die
Strahlschweißverfahren sind die im Automobilbau zunehmend
erforderlichen langen Schweißnähte zur Verbindung von
stranggepressten Hohlprofilen aus Aluminiumwerkstoffen
mit anderen Karosserieteilen.
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Beim Laserstrahlschweißen unterscheidet man prinzipiell
drei physikalische Phänomene beim Auftreffen des
Laserstrahls auf den metallischen Werkstoff. Abhängig von
der Strahlintensität unterscheidet man bei der
Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Metallwerkstoff
zwischen dem Wärmeleitungsmode bei niedrigeren
Laserstrahlintensitäten, dem Tiefschweißmode bei
mittleren Laserstrahlintensitäten und der
Plasmaabschirmung bei hohen Laserstrahlintensitäten.
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Beim Wärmeleitungsmode wird das Metall von der Oberfläche
her aufgeschmolzen, im wesentlichen ohne dass der
Laserstrahl in das Material eindringt.
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Im Tiefschweißmode, der im Stand der Technik, wie oben
beschrieben, zur Herstellung von Schweißnähten zwischen
Metallbauteilen eingesetzt wird, nimmt die Verdampfung an
der Metalloberfläche so weit zu, dass sich in dem
Werkstück eine Dampfkapillare ausbildet. Durch die
Dampfkapillare gelangt der Laserstrahl in das Werkstück
und die Wärmeeinkopplung wird über die gesamte Fügezone
verteilt. Man spricht hier auch von der sogenannten
"Keyhole"-Bildung. Relativbewegungen des Laserstrahls zum
Werkstück sorgen für ein Fortschreiten der Kapillare
durch die Metallbauteile. Dabei schmilzt an der
Schmelzfront kontinuierlich Material auf, das um die
Kapillare herumgetrieben wird und an der Schmelzrückwand
unter Bildung einer schmalen Naht erstarrt. Bei der
Herstellung von Schweißnähten im Stumpfstoß ist es
wichtig, den Schweißprozess so zu steuern, dass die
Kapillare sich gerade bis zur Unterseite der
Metallbauteile erstreckt, so dass ein Verschweißen über
den gesamten Querschnitt gewährleistet ist.
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Bei der Plasmaabschirmung ist die Laserstrahlintensität
schließlich so hoch, dass der Laserstrahl in einem
abschirmenden Plasma an der Metalloberfläche absorbiert
wird und nur noch geringfügig in die Oberfläche des
Werkstoffes eindringen kann. Das in der Praxis übliche
Verschweißen von Metallbauteilen im Tiefschweißmode
bringt verschiedene Probleme mit sich. Zum einen können
die zum Schweißen im Tiefschweißmode erforderlichen
Strahlintensitäten bislang nur über relativ aufwendige
Lasersysteme, wie etwa Nd:YAG- oder CO2-Laser, erzielt
werden. Hierdurch steigt der aparative Aufwand und damit
die Kosten für die Herstellung der Schweißverbindung. Zum
anderen sind zur Herstellung einwandfreier
Schweißnahtqualitäten für im Tiefschweißmode hergestellte
Schweißnähte zusätzliche Maßnahmen notwendig. Sowohl an
der Schweißnahtoberraupe als auch an der
Schweißnahtwurzel treten beim Schweißen im
Tiefschweißmode unerwünschte Effekte auf. Insbesondere
beim Verschweißen von Metallbauteilen aus
Aluminiumwerkstoffen treten an der Schweißnahtwurzel
unerwünschte Materialspitzen oder Kerben auf. Diese im
wesentlichen im Bereich der Oberflächen der
Schweißnahtraupe vorhandenen Effekte sind zum einen
häufig optisch unerwünscht, fördern zum anderen bei
dynamischer Belastung die Rissbildung und führen bei den
"Tailored Blanks" zu eingeschränkter
Weiterverarbeitbarkeit. Zu den möglichen zusätzlichen
Maßnahmen zur Verbesserung der Schweißnahtqualität von im
Tiefschweißmode hergestellten Schweißverbindungen wird
auf die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehende,
nachveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE
100 37 109 A1 verwiesen.
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Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde,
ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Verschweißen von
Metallbauteilen zur Verfügung zu stellen, mit dem bei
geringem apparativem Aufwand die Herstellung einer
Schweißnaht mit guten mechanischen und optischen
Eigenschaften gewährleistet wird.
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Gemäß einer ersten Lehre der Erfindung ist die zuvor
hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe für ein Verfahren
zum Verschweißen von Metallbauteilen dadurch gelöst, dass
die Metallbauteile zur Schweißnahtherstellung im
Schweißnahtbereich von beiden Seiten mit Hilfe mindestens
jeweils eines Schweißstrahls im Wärmeleitungsmode über im
wesentlichen den gesamten Schweißnahtquerschnitt
aufgeschmolzen werden. Die für das Arbeiten im
Wärmeleitungsmode erforderlichen Strahlintensitäten
können von kostengünstigen, einfach zu handhabenden
Diodenlasern zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch
wird der aparative Aufwand und damit die Kosten zur
Schweißnahtherstellung reduziert. Gleichzeitig führt das
Schweißen im Wärmeleitungsmode zu guten Ergebnissen für
die Oberflächenqualität der Schweißnaht auf beiden Seiten
der zu verschweißenden Metallbauteile.
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Möglich ist auch das Verschweißen von Metallbauteilen mit
Hilfe eines Schweißstrahls im Wärmeleitungsmode von einer
Seite der Metallbauteile. Da jedoch der Laserstrahl im
Wärmeleitungsmode nicht durch das Werkstück, d. h. die
Metallbauteile, hindurchdringt, besteht hierbei die
Gefahr von Bindefehlern in der Nahtwurzel. Insbesondere
beim Schweißen von Aluminium wird die Bildung von
Bindefehlern in der Nahtwurzel durch die hochschmelzende
Oxidschicht begünstigt, mit der technische
Aluminiumoberflächen überzogen sind. Das erfindungsgemäße
Arbeiten im Wärmeleitungsmode von beiden Seiten der
Metallbauteile, bei dem die Metallbauteile über im
wesentlichen den gesamten Schweißnahtquerschnitt
aufgeschmolzen werden, führt zu einer sehr starken
Reduktion von Bindefehlern bei gleichzeitig homogenem
Nahtquerschnitt. Wie bereits erwähnt, ergeben sich durch
das Schweißen im Wärmeleitungsmode zusätzlich glattere
Schweißnähte als bei den herkömmlichen Verfahren, die im
Tiefschweißmode arbeiten.
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Eine sogenannten Offline-Bearbeitung, bei der die
Metallbauteile von jeder Seite nacheinander verschweißt
werden, wird dadurch ermöglicht, dass die
Schmelzbadbereiche und die Schweißwärmebereiche der auf
gegenüberliegenden Seiten der Metallbauteile einwirkenden
Schweißstrahlen nicht überlappend erzeugt werden. Auf
diese Art und Weise kann beispielsweise die
Schweißnahtherstellung von ein und dem selben Laser
zuerst von der Oberseite der zu verschweißenden
Metallbauteile und anschließend nach dem Wenden der zu
verschweißenden Metallbauteile von der Unterseite
bewerkstelligt werden. Dabei kann die Offline-Bearbeitung
bei gleichen oder unterschiedlichen
Transportgeschwindigkeiten für die Metallbauteile und
damit unterschiedlichen Eindringtiefen der
Schmelzbadbereiche erfolgen.
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Eine alternative Ausgestaltung erfährt das
erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass die
Schweißwärmebereiche der auf gegenüberliegenden Seiten
der Metallbauteile einwirkenden Schweißstrahlen mit Hilfe
einer entsprechenden relativen Anordnung der Positionen
der Schweißstrahlen in Schweißnahtrichtung zumindest
teilweise überlappend erzeugt werden. Diese Ausgestaltung
führt dazu, dass die Schweißwärme des vorlaufenden
Schweißstrahls Zeit hat, um durch die Dicke des Blechs
zur Wärmeleitzone auf der gegenüberliegenden Seite der
Metallbauteile zu gelangen und durch den so gegebenen
Vorwärmeeffekt den Schweißprozess des nachlaufenden
Laserstrahls unterstützt. Darüber hinaus wird dadurch,
dass kein durchgehendes Schmelzbad über den gesamten
Querschnitt der Schweißnaht erzeugt wird, gewährleistet,
dass das Schmelzbad nicht durchhängt.
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Eine weitere alternative Ausgestaltung erfährt das
erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass die
Schmelzbadbereiche der auf gegenüberliegende Seiten der
Metallbauteile einwirkenden Schweißstrahlen mit Hilfe
einer entsprechenden relativen Anordnung der Positionen
der Schweißstrahlen in Schweißnahtrichtung zumindest
teilweise überlappend erzeugt werden. Durch diese
Ausgestaltung, bei der ein gemeinsamer Schmelzbadbereich
hergestellt wird, erfolgt eine optimale Ausnutzung der in
die Metallbauteile eingetragenen Schweißwärme und eine
maximale Homogenität der Schweißnaht über den
Schweißnahtquerschnitt.
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Die fehlende oder vorhandene Überlappung der
Schmelzbadbereiche wird bei den zuvor beschriebenen
alternativen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei gegebener Schweißgeschwindigkeit durch die
relative Anordnung der Positionen der Schweißstrahlen in
Schweißnahtrichtung beeinflusst. Der Einfluss der
Schweißgeschwindigkeit auf die relative Anordnung der
Positionen der Schweißstrahlen zur Herstellung der
fehlenden oder vorhandenen Überlappungen ist
offensichtlich.
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Dadurch, dass die Strahlflecke der Schweißstrahlen gemäß
einer weiteren Ausgestaltung in Schweißnahtrichtung eine
größere Ausdehnung aufweisen, lässt sich der Wärmeeintrag
in den Schweißnahtbereich der Metallbauteile weiter
steuern. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, in
Schweißnahtrichtung mehrere hintereinanderlaufende oder
überlagerte Strahlflecken aufweisende Schweißstrahlen
anzuordnen, um den Schweißwärmeeintrag in geeigneter Art
und Weise zu steuern. Zur weiteren Steuerung des
Schweißwärmeeintrags und der Überlappung der
Schweißwärmebereiche und/oder der Schmelzbadbereiche
dient die Wahl unterschiedlicher Leistungen der
Schweißstrahlen auf den gegenüberliegenden Seiten der
Metallbauteile. Auch unterschiedliche
Strahlfleckabmessungen auf den beiden einander
abgewandten Seiten der zu verschweißenden Metallbauteile
ermöglichen eine weitere Steuerung des
Schweißwärmeeintrags zur Optimierung des
Schweißergebnisses.
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Unterschiedliche Dicken der Metallbauteile können beim
Verschweißen mit Hilfe einer Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch berücksichtigt
werden, dass mit Hilfe einer entsprechenden relativen
Positionierung der Strahlflecken quer zur
Schweißnahtrichtung ein unterschiedlicher
Schweißwärmeeintrag in die zu verschweißenden
Metallbauteile eingestellt wird. Hierdurch ist gezielt
der Leistungsanteil anpassbar, der in das dickere
Metallbauteil eingebracht wird.
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Zur Herstellung des Wärmeleitungsmode wird die
Strahlintensität der Schweißstrahlen auf 5.103 bis
1,7.106 W/cm2, insbesondere 1.104 bis 9.105 W/cm2
eingestellt. Für Metallbauteile mit geringer
Wärmeleitfähigkeit werden die Strahlintensitäten der
Schweißstrahlen eher in den unteren Bereich der
angegebenen Intensitäten gelegt, während für
Metallbauteile mit höherer Wärmeleitfähigkeit die
Strahlintensitäten in den oberen Bereich gelegt werden,
wobei der obere Bereich mit 1,5.106 W/cm2 knapp
unterhalb der Grenze des Übergangs zum Tiefschweißmode
liegt.
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Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung ist die oben
hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe für eine Vorrichtung
zum Verschweißen von Metallbauteilen mit mindestens einem
die Metallbauteile im Schweißnahtbereich aufschmelzenden
Schweißstrahlgenerator dadurch gelöst, dass zur
Schweißnahtherstellung mindestens ein die Metallbauteile
von beiden Seiten im Schweißnahtbereich im
Wärmeleitungsmode über im wesentlichen den gesamten
Schweißnahtquerschnitt aufschmelzender
Schweißstrahlgenerator vorgesehen ist. Zu den mit der
Vorrichtung gemäß der zweiten Lehre der Erfindung
verwirklichten Vorteilen wird auf die Ausführungen
bezüglich der Vorteile des Verfahrens gemäß der ersten
Lehre der Erfindung verwiesen.
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Besonders vorteilhaft im Hinblick auf reduzierte Kosten
und vereinfachte Bedienung sind die
Schweißstrahlgeneratoren der Vorrichtung gemäß der
zweiten Lehre der Erfindung als Diodenlaser ausgebildet.
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Dadurch, dass Justagemöglichkeiten zur Justierung des
Strahlflecks der Schweißstrahlgeneratoren in
Schweißnahtrichtung und quer zur Schweißnahtrichtung
vorgesehen sind, lässt sich die Überlappung der
Schweißwärmebereiche bzw. der Schmelzbadbereiche und der
Eintrag der Schweißwärme in die Metallbauteile steuern.
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Da Diodenlaser regelmäßig nicht-zirkularsymmetrische
Intensitätsverteilungen aufweisen, führt eine
Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der zweiten Lehre der
Erfindung dadurch, dass Justagemöglichkeiten zur Drehung
der Schweißstrahlgeneratoren um die Strahlachse
vorgesehen sind, dazu, dass zum Beispiel die
Schweißnahtbreite auf Änderungen der Spaltweite zwischen
den Metallbauteilen anpassbar ist.
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Die Schweißnahtqualität lässt sich schließlich gemäß
einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der
zweiten Lehre der Erfindung dadurch verbessern, dass eine
Schutzgasquelle zur Bearbeitung des Schweißnahtbereiches
vorgesehen ist.
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Es existieren eine Vielzahl von Möglichkeiten das
erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Verschweißen von Metallbauteilen
auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird
beispielsweise verwiesen einerseits auf die den
Patentansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Patentansprüche
andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.
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In der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch Schweißnaht
in der Prozesszone
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Fig. 2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung gemäß der zweiten Lehre der Erfindung
aus der Schweißrichtung und
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Fig. 3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung gemäß der zweiten Lehre der Erfindung
aus der Schweißrichtung.
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Der in Fig. 1 dargestellte Längsschnitt durch die
Prozesszone zeigt den Stoßbereich zwischen zwei
Metallbauteilen vor dem Verschweißen 1, die Prozesszone 2
und den Stoßbereich nach dem Verschweißen 3. In der
Prozesszone 2 treffen die hier als Laserstrahlen 4 und 5
ausgebildeten Schweißstrahlen auf die Oberfläche der
Metallbauteile auf und erzeugen im Wärmeleitungsmode
einen oberen Schmelzbadbereich 6 mit angrenzendem oberen
Schmelzwärmebereich 7 sowie einen unteren
Schmelzbadbereich 8 mit angrenzendem unteren
Schmelzwärmebereich 9.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Längsschnitt überlappen
sich der obere Schmelzbadbereich 6 und der untere
Schmelzbadbereich 8, so dass das Aufschmelzen der
Metallbauteile im Schweißnahtbereich über den gesamten
Schweißnahtquerschnitt gewährleistet ist.
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Bei einer Verschiebung der relativen Positionen der
Laserstrahlen 4 und 5 zueinander entfällt zunächst die
Überlappung des oberen Schmelzbadbereiches 6 und des
unteren Schmelzbadbereiches 8, wobei jedoch zunächst
weiter eine Überlappung zwischen dem oberen
Schmelzwärmebereich 7 und dem unteren Schmelzwärmebereich
9 bestehen bleibt.
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Werden die Positionen der beiden Laserstrahlten 4, 5
weiter gegeneinander verschoben, so entfällt ab einem
bestimmten Abstand auch die Überlappung zwischen dem
oberen Schmelzwärmebereich 7 und dem unteren
Schmelzwärmebereich 9.
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Die relativen Abstände der Laserstrahlen 4, 5, die zu
einer fehlenden bzw. vorhandenen Überlappung der
Schmelzbadbereiche 6, 8 und/oder der Schmelzwärmebereiche
7, 9 führen, sind von verschiedenen Prozessparametern,
wie der Strahlintensität, der Strahlgeometrie, der
Schweißgeschwindigkeit, etc., abhängig.
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Die spezifischen Vor- bzw. Nachteile fehlender oder
vorhandener Überlappungen zwischen den
Schmelzbadbereichen 6, 8 und den Schmelzwärmebereichen 7,
9 sind bereits in der Beschreibungseinleitung diskutiert
worden. Es soll ergänzend darauf hingewiesen werden, dass
die Definition der äußeren Grenze der
Schmelzwärmebereiche 7, 9 nicht fest vorgegeben werden
kann sondern zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von den
Anforderungen zu wählen ist.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verschweißen von
Metallbauteilen 10, 11 erzeugen zwei nicht dargestellte,
als Diodenlaser ausgebildete Schweißstrahlgeneratoren
jeweils einen Laserstrahl 12, 13, die zur
Schweißnahtherstellung die Metallbauteile 10, 11 im
Schweißnahtbereich im Wärmeleitungsmode über den gesamten
Schweißnahtquerschnitt aufschmelzen. Die Laserstrahlen
12, 13 werden mit Hilfe jeweils einer Optik 14, 15 auf
den Schweißnahtbereich fokussiert. Die Metallbauteile 10,
11 werden bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Stumpfstoß verschweißt.
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Zur Verbesserung der Schweißnahtqualität wird die
Prozesszone 16 bei dem dargestellten ersten
Ausführungsbeispiel über zwei Schutzgasdüsen 17, 18 mit
einem üblichen Schutzgas belegt.
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Eine Entkopplung der nicht dargestellten Diodenlaser kann
durch Verkippen der Strahlachsen der Diodenlaser
gegeneinander oder durch die Verwendung von Diodenlasern
unterschiedlicher Wellenlängen und dem Einsatz von
Bandpass- oder Kantenfiltern, wie etwa dichroitischen
Spiegeln, gewährleistet werden. Hierzu wird wiederum auf
die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehende,
nachveröffentlichte Patentanmeldung DE 100 37 109 A1
verwiesen.
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Das in Fig. 3 dargestellte, zweite Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verschweißen von
Metallbauteilen ist an das Verschweißen in T-Stößen
angepasst.
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Die Metallbauteile 10, 11 stehen bei diesem
Ausführungsbeispiel im T-Stoß und die Laserstrahlen 12,
13 wirken von beiden Seiten auf den Schweißnahtbereich
bzw. die Prozesszone 16 ein.
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Grundsätzlich lässt sich eine erfindungsgemäße
Vorrichtung an alle Stoßformen anpassen, bei denen die
Schweißnaht von beiden Seiten für Schweißstrahlen
zugänglich ist.