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Diese
Erfindung betrifft das Laserschweißen von Metalllegierungen,
um Hitzerissbildung an der Schweißstelle zu vermeiden. Im Besonderen
betrifft diese Erfindung das Laserschweißen von Nichteisen-Leichtmetalllegierungen,
wie etwa Aluminium- oder Magnesiummetalllegierungen mit Laserstrahlung
d.h. einem Verbundstrahl, der zwei unterschiedliche Laserquellen
kombiniert.
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Metallwerkstücke werden
geschweißt,
indem ein Laserstrahl mit einer geeigneten Energie an einer ausgewählten Schweißstelle
auf die Oberfläche
des Metalls gerichtet wird. Ein Teil der Energie der Laserstrahlung
wird von dem Metall absorbiert, wodurch das Material an dem Einfallsbereich
bis zu einer Tiefe aufgeschmolzen wird, die geeignet ist, um die
Metalllagen zusammenzufügen.
Nachdem der Laserstrahl abgeschaltet oder längs eines Schweißweges in
dem Werkstück
wegbewegt worden ist, gibt das geschmolzene Metall schnell Wärme an das
umgebende nicht erwärmte
Metall ab und wird fest, so dass ein Schweißkern zwischen den zu fügenden Schichten gebildet
wird. Hochleistungs-Kohlendioxid-Gaslaser (CO2-Gaslaser)
und Neodym:YAG-Feststofflaser werden beispielsweise in Materialverarbeitungsanwendungen,
die spanende Bearbeitung, Wärmebehandlung
und Schweißen
umfassen, benutzt.
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Ein
Vorteil des Laserschweißens
ist, dass ein Strahl kohärenter
Strahlung fokussiert werden kann, um schnell, aber kurzzeitig ein
tiefes schmales Schlüsselloch
geschmolzenen Metalls für
das Schweißen
zu bilden. Es ist aber ein Nachteil, dass der Schweißkern, der
auf diese schnelle Weise gebildet wird, oft Sprödigkeit oder Hitzerissbildung
entlang der Schweißfügestelle
insbesondere in Leichtmetalllegierungen mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit zeigt.
Es sind Bemühungen
unternommen worden, um das Energieniveau und/oder den Weg des Laserstrahls
zu steuern und somit ein Schweißmetallbad mit
einer geeigneten Form zu erzeugen, um die Sprödigkeit des Schweißkerns zu
verringern. Bei vielen Laserschweißanwendungen bleibt aber Porosität und/oder
Hitzerissbildung des Schweißkerns
ein Problem.
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Die
JP 2002 316 282 A beschreibt
ein Verfahren nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Aus
der
DE 41 18 791 A1 ist
ein Schweißverfahren
bekannt, bei dem ein zeitlich konstanter Laserstrahl in Verbindung
mit Laserstrahlimpulsen verwendet wird, um eine gleichmäßige Schweißraupe auszubilden.
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Die
US 5,451,742 A offenbart
ein Schweißverfahren,
bei dem ein Rand eines ersten umgefalzten Blechschenkels und ein
Rand eines zweiten Blechschenkels verbunden werden. Hierbei erfolgt die
Schweißung
mittels eines zweistufigen Verfahrens mit einem einzelnen Laserstrahl,
der bei einem ersten Leistungspegel verwendet wird, um einen ersten
Schweißabschnitt
zu bilden. Anschließend
wird der Laserstrahl bei einem zweiten Leistungspegel verwendet,
um einen zweiten Schweißabschnitt
zu bilden.
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Es
ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum Schweißen von
Metallwerkstücken
bereitzustellen, mit dem Schrumpfungsspannungen und folglich Hitzerissbildung
in dem Schweißkern
sowie andere Schweißfehler
zu vermindert werden können.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Diese
Erfindung nutzt die unterschiedlichen Eigenschaften von zwei unterschiedlichen
Lasern aus, um die kombinierten Energien der Laser in einem Metallschweißvorgang
zu modulieren. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird Strahlung von einem CO2-Laser
mit Strahlung von einem Nd:YAG-Laser (in dieser Beschreibung manchmal
einfach als YAG-Laser bezeichnet) kombiniert, um eine rissfreie
Schwei ßung
zwischen zwei Blechwerkstücken
aus einer Aluminiumlegierung zu bilden. Unterschiedliche Laserstrahlen
weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, und die Unterschiede können bei
Schweißanwendungen
benutzt werden. Anhand eines veranschaulichenden Beispiels wird die
praktische Ausführung
der Erfindung bei der Bildung einer im Allgemeinen kontinuierlichen
(linienförmigen)
Schweißung
zwischen Schenkeln eines Außenbleches
aus einer Aluminiumlegierung und eines Innenbleches aus einer Aluminiumlegierung
für eine Kraftfahrzeugheckklappe
beschrieben.
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Bei
diesem Beispiel werden die Heckklappenbleche derart zusammengebaut,
dass der Schenkel des Außenbleches
in einem Säumvorgang
um den Rand des Schenkels des Innenbleches herumgebogen wird. Die
zusammengebauten Bleche werden derart abgestützt, dass kombinierte Strahlen
aus einem CO2-Laser und einem YAG-Laser
entlang des gesäumten
Umfangs der Bleche bewegt werden können, um eine kontinuierliche
Schweißlinie
um den Umfang herum zu bilden. Die Dicke eines jeden Bleches beträgt ungefähr 1,1 bis
1,2 Millimeter, und die Gesamtleistung des Verbund-Laserstrahls
muss die äußere Lage
der gesäumten
Schenkelanordnung durchdringen und in die innere Lage hinein eindringen.
Die Wärmeübertragungseigenschaften
der beiden Lagen sind unterschiedlich, da die äußere Lage um das Ende der inneren
Lage herumgewickelt ist und dieser Unterschied in den Wärmedissipationswegen
beeinflusst die Verfestigung der Schweißschmelze zu einem rissfreien
Kern.
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CO2-Laser weisen einen schmalen fokussierten
Strahl auf, der ein schmales Schlüsselloch und eine schmalere
Schweißschmelze
bildet, während
der YAG-Strahl weiter ist und eine breitere Schweißschmelze
erzeugt. Bei dieser Saumschweißausführungsform
wird die Leistung des CO2-Lasers auf ungefähr 1,0 Kilowatt
gehalten, während
die Leistung des YAG-Lasers zyklisch von ungefähr 3 kW für 200 Millisekunden (ms) auf
0 kW (abgeschaltet) für
100 ms verändert
wird. Dieses zyklische ungleichmäßige Ein-Aus des YAG-Lasers
wird während
der Bildung der linienförmigen
Schweißnaht
mit einer Frequenz von 3,3 Hz wiederholt. Somit variiert die Gesamtleistung
des Verbundstrahls von 4 kW bis 1 kW mit einem Intervall von jeweils
200 ms bzw. 100 ms bei einer Frequenz von 3,3 Hz. Der Verbund-Laserstrahl
wird mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, beispielsweise 5,5
Meter pro Minute, um den Umfang der gesäumten Schenkelanordnung herum bewegt.
Der Weg des Verbundstrahls kann direkt den Rändern der Anordnung folgen
(ein im Allgemeinen gerader Weg entlang jeder Seite der Anordnung), oder
der Strahl kann in einem sinusförmigen
oder anderen nicht geraden Weg entlang der Ränder vorgerückt werden.
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Die
Wirkung der Veränderung
der Verbund-Laserstrahlleistung mit einem Schweißperiodenintervall dient dazu,
eine resultierende Veränderung der
Größe oder
Ausgestaltung des Schweißkerns entlang
des kontinuierlichen Schweißweges
zu erzeugen und in der Folge die Schrumpfungsspannungen in der geschweißten Saumanordnung
zu vermindern. Während
des Intervalls von 200 ms mit hoher Verbundstrahlleistung werden
die linienförmigen Schweißkernsegmente
relativ breit und tief. Während der
kürzeren
dazwischen liegenden Intervalle mit niedriger Strahlleistung und
lediglich CO2-Strahlleistung werden die
linienförmigen
Schweißkernsegmente
schmaler und flacher. Es ist zu finden, dass dieses Muster variierender
Schweißkernausgestaltungen
das Kühlmuster
der Schweißschmel ze
verändert
und Schweißsegmente
erzeugt, die frei von Hitzerissen sind, und die Schrumpfungsspannungen wesentlich
vermindert.
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Das
obige Beispiel veranschaulicht eine Ausführungsform der praktischen
Ausführung
der Erfindung. In dieser Ausführungsform
werden zwei unterschiedliche Laserstrahlen mit unterschiedlichen Leistungseinstellungen
für wiederholte
Intervalle von 200 ms kombiniert, und ein Strahl wurde für die unmittelbar
folgenden Intervalle von 100 ms abgeschaltet. Es können aber
andere Kombinationen von Laserstrahlleistungspegeln und Intervalldauern
verwendet werden. Die Leistungspegel, die Veränderung der Leistungspegel
und die Dauer der ausgewählten Leistungspegel
für die
beiden Laser, die beim Schweißen
einer besonderen Werkstückanordnung verwendet
werden, können
experimentell bestimmt werden. Die Versuche zur Einstellung können unter Verwendung
thermischer Modellierung gesteuert werden. Das Ziel der Verwendung
des Verbund-Laserstrahls ist es, den Leistungseingang periodisch
zu verändern,
um geeignete Schweißkernausgestaltungen
entlang der gesamten Länge
der Schweißung
zu erzielen, während
das Profil, die Tiefe und die Breite des Schweißkerns periodisch verändert werden,
um thermische Restspannungen in der Schweißung zu vermeiden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen ist:
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1 eine
Umrissansicht einer Laserschweißanwendung
gemäß dieser
Erfindung, in der Schenkel von Innen- und Außenblechen einer Kraftfahrzeugheckklappe
gesäumt
werden, wobei lediglich ein unterer Abschnitt des Innenbleches in dem Umfangsumrisslinie
gezeigt ist, der über
der Rückseite
des Außenbleches
liegt, das ebenfalls in einer Umrisslinie gezeigt ist;
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2 eine
Querschnittsansicht der Saumschweißumgebung an der Stelle 2-2
von 1;
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3 eine
schematische Darstellung des Kombinierens eines CO2-Laserstrahls
und eines YAG-Laserstrahls durch Optiken, um einen Verbund-Laserstrahl
zum Bilden von Schweißungen
gemäß dieser
Erfindung herzustellen;
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4 ein
Graph eines Beispiels von Laserleistungsveränderungen für einzelne CO2-
und YAG-Laserstrahlen bei aufeinander folgenden Intervallen von
200 ms und 100 ms während
einer Schweißperiode
für eine
Ausführungsform
dieser Erfindung, in der die Strahlen kombiniert werden, um eine
linienförmige
Saumschweißung
zwischen einem AA6111-T4-Heckklappen-Außenblech
und einem AA5182-O-Innenblech zu erzeugen;
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5 eine
fragmentarische Ansicht eines Teilstücks der geschweißten Heckklappenanordnung von 1,
die die Form des Schweißkerns
an der Schenkeloberfläche
des Innensaums des Außenbleches
zeigt, der unter Verwendung eines gekrümmten Laserschweißstrahlweges
erzeugt wird;
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6 eine
fragmentarische Ansicht eines Teilstücks der geschweißten Heckklappenanordnung von 1,
die die Form des Schweißkerns
an der Schenkeloberfläche
des Innensaums des Außenbleches
zeigt, der unter Verwendung eines geraden Strahlweges beim Laserschweißen erzeugt
wird; und
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7 eine
Querschnittsansicht des geschweißten Teilstücks der fragmentarischen Ansicht von 6 ist.
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Die
kohärente
und fokussierte Energie von Laserstrahlen wird bei Metallbearbeitungs-,
Wärmebehandlungs-
und Schweißvorgängen verwendet.
In Metallschweißanwendungen
werden Laser häufig bei
dem Verschweißen
von zwei oder mehr Blechlagen verwendet. Beispielsweise werden Schenkel
von Blechen gefügt,
indem ein Laserstrahl verwendet wird, um die Dicke des oberen Schenkels
zu durchschmelzen und in den unteren Schenkel einer Anordnung hinein
zu schmelzen. Der Laserstrahl wird gewöhnlich relativ zu dem Werkstück bewegt,
um einem linienförmigen
Weg, der gerade oder nicht gerade ist, entlang der Schenkelfläche oder
einer anderen zu fügenden
Fläche
zu folgen, und nachdem der Laserstrahl sich entlang seines Weges
bewegt hat, verfestigt sich geschmolzenes Metall durch Wärmeverlust
an das benachbarte Blechmaterial, so dass ein Schweißkern gebildet
wird. Es besteht anhaltend der Wunsch, Laserschweißungen schneller
mit höherer Genauigkeit
und besserer Prozesssteuerung durchzuführen.
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Es
besteht auch ein Wunsch, Laserschweißtechnik auf das Fügen von
leichten Blechteilen, wie etwa Kraftfahrzeugkarosserieblechen, anzuwen den. Wenn
aber Laserschweißen
an Blechen aus Aluminiumlegierungen versucht wird, ist häufig zu
finden, dass die Schweißkerne
gegenüber
Rissbildung anfällig
sind. Das Problem ist häufig
sichtbar, wenn kontinuierliche linienförmige Schweißungen zwischen Schenkeln,
die gesäumt
sind, vorgenommen werden. Derartige "Hitzerissbildung" ist augenscheinlich ein Ergebnis einer
schnellen Schrumpfung der fest werdenden Schweißschmelze, wenn Wärme aufgrund der
relativ hohen Wärmeleitfähigkeit
des umgebenden Metalls des Werkstücks/der Werkstücke abgegeben
wird. Diese Erfindung stellt ein praktisches Verfahren zum Kombinieren
der Strahlen von zwei Lasern bereit, um schnell kontinuierliche
Schweißlinien in
stark wärmeleitenden
Werkstücken
aus Leichtmetalllegierungen ohne Hitzerissbildung in der neuen Verbindungsstelle
zu bilden.
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1 veranschaulicht
in gestrichelter Umrisslinie eine Draufsicht eines Außenbleches 10 für eine Kraftfahrzeugheckklappe.
Darüber
gelegt auf der Rückseite
des Außenbleches 10 ist
ein unterer Abschnitt eines Innenbleches 12. Typischerweise sind
die Innen- und Außenbleche
einer Fahrzeugheckklappe jeweils derart gestaltet, dass sie die
Form (einschließlich
der Fensteröffnung 20)
und konstruktive Einheit des Verschlusselementes bilden und Verdrahtungen
für Lampen
und Bauelemente für
Scharniere, Verriegelungen, Scheibenwischermechanismen und dergleichen
enthalten. In 1 sind diese Bleche aber einfach
in ihrem Umriss gezeigt, um zu darzustellen, wie sie an ihren Rändern verschweißt werden.
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In
diesem Beispiel ist das Heckklappenaußenblech 10 gebildet
worden, indem ein Blechrohling aus einer Aluminiumlegierung AA6111
in einem T4-Temperzustand gestanzt worden ist. Das Innenblech 12 ist
aus einem Blechrohling aus AA5182 in einem O-Temperzustand gestanzt
worden.
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Das
Außenblech 10 weist
einen Umfangsschenkel 14 auf und das Innenblech 12 weist
ebenso einen Umfangsschenkel 16 auf. Die jeweiligen Schenkel 14, 16 erstrecken
sich an den Rändern
jedes Bleches, und der Schenkel 14 des Außenbleches 10 erstreckt
sich von dem Schenkel 16 des Innenbleches 12 nach
außen.
In 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung das Innenblech 12 oberhalb
des unteren Abschnitts des Außenbleches 10 weggebrochen
gezeigt (wie auch der obere Abschnitt des Schenkels 14 des
Außenbleches)
aber in der Praxis würde
das Innenblech 12 im Allgemeinen die vollständige Gestalt
des äußeren Bleches 10 ergänzen. Der
Schenkel 14 des Außenbleches 10 erstreckt
sich von dem Schenkel 16 des Innenbleches 12 nach
außen
und wird um das Ende 18 des Innenblechschenkels 16 in
einem Säumvorgang
umgefalzt. Die Ausgestaltung dieser gesäumten Schenkel ist in der weggebrochenen,
fragmentarischen und geschnittenen Ansicht von 2 gezeigt.
Somit umgreift das Außenblech 10 infolge
des Säumens
des Schenkels 14 des Außenbleches 10 um das
Ende 18 des Schenkels 16 des Innenbleches 12 herum
mechanisch das Innenblech 12 um zumindest die Unterseite 22,
die untere rechte Seite 26 und die untere linke Seite 24 der
zusammengebaute Bleche, wie es in 1 gezeigt
ist.
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Bei
der praktischen Ausführung
dieser Erfindung wird dann ein Verbund-Laserstrahl auf die gesäumte Schenkelanordnung
gerichtet und um diese herumbewegt, um eine Schweißung in
der Anordnung zu erzeugen und somit die Anbringung des Innenbleches
an dem Außenblech
sicherzustellen. Der allgemeine Weg der Schweißung um den Umfang der angebrach ten
Bleche herum folgt parallel zu aber innerhalb des Außenrandes 18 des
Innenbleches 12.
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Der
Querschnitt eines lokalen Abschnitts des Schweißkerns 30 ist in der
Querschnittsansicht von 2 gezeigt. Der Schweißkern 30 wird
von der oberen Oberfläche 32 des
Schenkels 14 aus gebildet (wie es in 2 zu
sehen ist) und erstreckt sich durch den umgefalzten Endabschnitt 34 des
Schenkels 14 und durch den Schenkel 16 des Innenbleches hindurch.
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Erfindungsgemäß wird die
Schweißung durch
einen Verbund-Laserstrahl erzeugt, der den Strahl eines Kohlendioxidlasers
umfasst, der mit dem Strahl eines Neodym:YAG-Lasers verschmolzen wird. 3 veranschaulicht
schematisch einen CO2-Laser 40 und
einen YAG-Laser 42. Diese Lasergeneratoren sind im Handel
mit Steuerungssystemen erhältlich,
durch die die Ausgangsleistung der jeweiligen Laser 40, 42 individuell
gesteuert werden kann. Der YAG-Laserstrahl 46 (bei einer
Wellenlänge
von 1,06 Mikrometern) wird von dem YAG-Strahlspiegel 50 zu
einem Verbund-Laserstrahlspiegel 54 reflektiert. Ähnlich wird
der CO2-Laserstrahl 44 (bei einer Wellenlänge von
10,6 Mikrometern) von dem CO2-Strahlspiegel 52 zu
dem gemeinsamen Laserstrahlspiegel 54 reflektiert. Die
Strahlen 44 und 46 werden bei Spiegel 54 kombiniert
und als Verbundstrahl 48 auf die Oberfläche 56 eines Werkstücks 58, wie
etwa der gesäumten
Innen- und Außenblech-Schenkelanordnung
von 1, gerichtet. 3 ist eine
ebene Darstellung der Anordnung der Laser 40 und 42.
Die Spiegel 50 und 52 befinden sich nicht notwendigerweise
in einer Linie und die Strahlen 40 und 46 verschmelzen
nicht, bis sie sich an dem Spiegel 54 treffen.
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Der
Verbund-Laserstrahl 48 und das Werkstück 58 werden relativ
zueinander durch irgendein geeignetes Mittel bewegt, um eine kontinuierliche
Linienschweißung
in den gesäumten
Schenkeln 14 und 16 der Heckklappenanordnung aus
Blechen 10 und 12 zu erzeugen. Die Schweißstelle
wird häufig mit
einer Schutzatmosphäre
aus einem Gas oder einem Gemisch von Gasen geflutet, das/die in
Bezug auf das geschmolzene Material und das laserinduzierte Plasmamaterial
an der Schweißstelle
inert ist/sind. In 3 veranschaulicht Rohr 60 ein
Mittel zum Richten der Schutzatmosphäre auf die Stelle an dem Werkstück 58.
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Der
Grund für
die zumindest zeitweilige Verwendung des Verbund-Laserstrahls ist,
die Form des Schweißkerns
in der kontinuierlichen linienförmigen Schweißung zu
verändern,
um eine heile, rissfreie Schweißnaht
zu erhalten. Indem die Form des Schweißkerns verändert wird, wird die Wärmeübertragung
von dem geschmolzenen lokalen Schweißbad in die umgebende Anordnung
bei Umgebungstemperatur verändert,
und es ist festzustellen, dass das Auftreten von Rissbildung des
Schweißkerns
bei der Verfestigung merklich vermindert ist. In dem Fall von Schweißungen in
Saumblechschenkeln aus Aluminiumlegierungen weist der umgefalzte
Schenkel des Außenbleches
andere Wärmeübertragungseigenschaften
auf als das verdeckte Ende des Innenbleches. Diese Kombination führt augenscheinlich
zu Hitzerissbildung in kontinuierlichen linienförmigen Laserschweißungen.
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Um
eine geeignete Veränderung
der Ausgestaltung des linienförmigen
Schweißkerns
zu erhalten, werden die Leistungspegel von zumindest einem von dem
YAG-Laser und dem Kohlendioxidlaser verändert, um eine periodische
Schwankung der Energie des Verbund-Laserstrahls zu erzeu gen, die
auf die Schweißstelle
auftrifft, wenn das Werkstück
und der Laserstrahl in Bezug zueinander bewegt werden. Es ist beobachtet
worden, dass die Kombination aus einer guten, fokussierten Strahlqualität von dem CO2-Laser und der guten Absorptionsrate von
dem YAG-Laser die Schweißeindringung
verbessert und die Porosität
vermindert wird. Der fokussierte CO2-Strahl
bildet ein schmales Schlüsselloch
aus geschmolzenem Metall, wo dieses Merkmal erwünscht ist. Der diffusere YAG-Laserstrahl
erzeugt ein breiteres Schlüsselloch
für eine
breitere und tiefere Kernbildung und weniger Porosität. Durch
Modulieren der Leistung des YAG-Lasers wird der Wärmeeintrag
optimiert, um eine Schweißeindringung
zu erzeugen, während
Schrumpfspannungen vermindert werden.
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Bei
diesem Beispiel wurde der Leistungspegel des Kohlendioxidlasers
für die
Bildung der kontinuierlichen linienförmigen Schweißung auf
1 Kilowatt gehalten. Der Leistungspegel des YAG-Lasers wurde über regelmäßige Intervalle
von ungefähr
3 Kilowatt bis 0 Kilowatt verändert.
Der YAG-Laser wurde
wiederholt für
200 ms ein- und für
100 ms ausgeschaltet. Somit lag die Gesamtleistung des Verbund-Strahllasers
für ein
erstes Intervall von 200 Millisekunden auf einem Pegel von 4 Kilowatt
und wurde dann für
ein folgendes Intervall von 100 Millisekunden auf einen Pegel von
1 kW reduziert. Diese Veränderung
der Leistungspegel des Verbund-Laserstrahls
wurde mit 3,3 Hz wiederholt, als die Schweißung gebildet wurde. Der Verbund-Laserstrahl
wurde mit einer Geschwindigkeit von 5,5 Metern pro Minute um den
Umfang des Werkstücks
bewegt. Ein Abschirmungsgas, das aus einem Gemisch von Helium, Stickstoff
und Argon bestand, wurde mit einer Geschwindigkeit von 14 Litern
pro Minute an die Stelle des auftreffenden Laserstrahls strömen gelassen.
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4 veranschaulicht
die Leistungspegel der jeweiligen Komponenten des Verbund-Laserstrahls,
wobei zu sehen ist, dass der Leistungspegel des CO2-Lasers
während
der Anwendung des Laserstrahls auf die Schweißstelle bei einem Kilowatt
konstant ist. Bei diesem Beispiel wurde der Leistungspegel des YAG-Lasers über ein
Intervall von 200 Millisekunden auf 3 kW gehalten und dann abrupt
stufenweise auf 0 Kilowatt abfallen gelassen. Der Prozess des Erhöhens und
Verringerns des Leistungspegels des YAG-Laserstrahls wurde durch
Anwenden des Verbund-Laserstrahls auf die Heckklappen-Schenkelanordnung
fortgesetzt.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
eines Schweißens
eines gesäumten
Schenkels wird der Laserstrahl vorzugsweise auf einem sinusförmigen Weg
in Bezug auf den Rand 34 des Außenschenkels 10 und
den Rand 18 des Innenschenkels 16 der Schenkelanordnung
bewegt, so dass er einen langen, gekrümmten, linienförmigen Schweißkern 62 mit
verändertem
Querschnitt erzeugt, wie es in 5 veranschaulicht
ist. Der Verbund-Laserstrahl 48 wurde
gegen die obere Oberfläche 32 des
Schenkels 14 des Außenbleches 10 gelenkt,
um den langen krummlinigen Schweißkern 62 zu erzeugen.
Die Abfolge der Laserleistungseinstellungen und das Vorrücken des
Laserstrahls wurden derart gesteuert, dass schmale Kernstreifen 66 näher an dem
Rand 18 des Innenschenkels 16 und breite Kernstreifen 64 näher an dem
Endabschnitt 34 des Schenkels 14 erzeugt wurden.
Mit dieser Schweißstrategie
führen
die Einschränkungen
von dem gebogenen Abschnitt des Schenkels 14 und Schrumpfungsspannungen
von dem Kernstreifen 62 nicht zu Rissbildung in der Schweißung.
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Somit
weist der linienförmige
Schweißkern 62 keinen
konstanten Querschnitt auf, wie man es durch einen Schnitt an einer
Stelle von 2 annehmen könnte und wie es in dem Kern 30 gezeigt
ist. Der linienförmige
Schweißkern 62 weist
abwechselnde breite Kernabschnitte 64 und schmale Kernabschnitte 66 auf.
Die breiten Schweißkernabschnitte 64 sind
länger
als die schmalen Abschnitte 62, da der Hochleistungs-Verbund-Laserstrahl doppelt
solange, 200 ms, an war, als der YAG-Laser ausgeschaltet war. Die
Unterschiede zwischen den breiten Kernabschnitten 64 und
schmalen Kernabschnitten 66 sind an ihren Oberflächenprofilen
größer, wie
es in 5 veranschaulicht ist. Diese weiteren Unterschiede
in der Struktur des krummlinigen linearen Schweißkerns 62 werden in
Bezug auf 7 veranschaulicht.
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Alternativ
kann in einem weiteren Beispiel der Verbund-Laserstrahl auf einem
im Allgemeinen geraden Weg in Bezug auf den Rand der mit Schenkelanordnung
bewegt werden, wie es in 6 veranschaulicht ist. Ein geradliniger
Schweißkern 68 wird mit
den abwechselnden kurzen schmalen Kernstreifenabschnitten 70 und
längeren
breiten Kernstreifenabschnitten 72 erzeugt. Während der
Perioden von 100 Millisekunden mit relativ niedriger Leistungsaufbringung
(CO2 + YAG = 1 kW Gesamtlaserausgangsleistung)
ist zu sehen, dass der Schweißkern
kürzer und
dünner
ist (Kernabschnitte 70) und über der Dauer von 200 Millisekunden
der Aufbringung von hoher Leistung (4 kW Gesamtlaserleistung) die
Schweißkerne 72 länger und
breiter sind. Die Querschnittsansicht von 7 bestätigt, dass
die Gesamtgröße des breiten
Kernstreifens 72 größer ist
als der Querschnitt des schmalen Kernstreifens 70. Es ist
festzustellen, dass eine geeignete Veränderung der Größe der Schweißkernstreifenabschnitte
starke Schweißungen
ohne Hitzerisse erzeugt.
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Es
ist festzustellen, dass für
unterschiedliche Metalllegierungen und unterschiedliche Dicken der zu
befestigenden Blechstücke
unterschiedliche Leistungspegel der Bestandteile des Verbund-Laserstrahls
zu benutzen sind. Bei diesem Beispiel wurde der Leistungspegel des
besser fokussierten, längerwelligen
Kohlendioxidlaserstrahls für
seine beständige
Energieaufbringung im Verlaufe des Schweißens auf einem recht konstanten
Pegel gehalten. Der Leistungspegel des weniger fokussierbaren YAG-Laserstrahlbestandteils
wurde durch Ein- und Ausschalten desselben verändert. Der Betrag an Veränderung und
die Leistungspegel der Laserstrahlen können experimentell bestimmt
werden. Bei jeder Schweißeinstellung
werden die Pegel natürlich
derart eingestellt, dass eine starke wirksame Schweißung erzeugt, aber
die Bildung von Rissen in dem Schweißkern während seiner Verfestigung vermieden
wird.
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Im
Allgemeinen wird die praktische Ausführung der Erfindung auf kontinuierliche
linienförmige Schweißungen,
die gerade oder nicht gerade sind, angewandt. Aber die Verwendung
von Verbund-Laserschweißstrahlen
könnte
auch vorteilhaft bei der Bildung von Schweißungen in einer abschnittsweisen oder
unterbrochenen linearen Abfolge verwendet werden.
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Zusammengefasst
wird eine Hitzerissbildung in Laserschweißungen, die in Metallwerkstücken, insbesondere
aus Aluminium- oder Magnesiumblechlegierungen, erzeugt werden, vermieden,
indem die Strahlen von zwei unterschiedlichen Lasern, beispielsweise
einem CO2-Laser und einem YAG-Laser, geeignet
zu einem Verbundstrahl kombiniert werden, der entlang eines Schweißweges in
der Oberfläche
des Werkstücks
bewegt wird. Der Leistungspegel von zumindest einem der Laser wird
zyklisch verändert,
so dass Schweißkernsegmente
mit unterschiedlichen, abwech selnden, hitzerissfreien Ausgestaltungen
in einer linienförmigen
Schweißung
erzeugt werden.