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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken durch Laserstrahlschweißen, wobei zumindest eines der beiden Werkstücke eine Beschichtung aufweist und wobei zwischen den beiden Werkstücken ein Spalt zum Entweichen von Schweißemissionen gebildet wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung Laserstrahlverschweißte Werkstückanordnung.
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Beim Schweißen von Überlappnähten liegen wenigstens zwei Werkstücke in einem Überlappungsbereich übereinander und werden durch einen Energieeintrag und Aufschmelzen des Werkstückmaterials und nachfolgender Abkühlung miteinander verbunden. Insbesondere im Fahrzeugkarosseriebau wird zum Aufschmelzen der zu verbindenden Stahlblechbauteile ein Laserstrahl genutzt mit den Vorteilen eines minimalen Schweißverzugs, hoher Schweißgeschwindigkeiten, großer Strukturfestigkeit und hoher Maßhaltigkeit.
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Obwohl dem Verfahren Laserstrahlschweißen aufgrund dieser Vorteile höchste Zuwachsraten vorausgesagt wurden, macht mittlerweile im Automobilhersteller- und Zulieferbereich das Schlagwort vom ”Entlasern” die Runde, da die Prozesssicherheit nicht oder nur mit extrem hohen Aufwendungen gewährleistet werden kann. Als ein Hemmnis für das Verbinden von insbesondere dreidimensionalen Blechstrukturen durch Laserstrahlschweißen werden die, beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren wie etwa WIG-Schweißen oder MIG-Schweißen, aufwendigere Spanntechnik und eine notwendige definierte Spalteinstellung beim Laserschweißen von beschichteten Blechen angesehen.
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Denn korrosionsgefährdete Bauteile aus Stahlblech werden, insbesondere im Fahrzeugkarosseriebau, zunehmend mit einer einseitigen oder beidseitigen Oberflächenbeschichtung vor allem aus Zink versehen. Die niedrige Verdampfungstemperatur des Zink führt zu einem vermehrten Abdampfen dieses Elementes während des Laserstrahlschweißprozesses, verbunden mit einer verstärkten Porenbildung und ähnlichen Fehlstellen (z. B. Schmelzenauswürfen, Spritzern, od. dgl.) in und an der Schweißnaht.
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Demzufolge muss zwischen den zu verbindenden Werkstücken ein sogenannter Entgasungsspalt vorgesehen werden, also ein Spalt zum Abtransport der Zinkdämpfe oder sonstigen Dämpfe der Beschichtung während des Laserschweißvorgangs. Dieser Entgasungsspalt darf aber auch nicht zu groß sein, da sonst die Schmelzen aus den sich überlappenden Fügepartnern nicht mehr ineinander übergehen können und somit Bindefehler auftreten. Beim Laserstrahlschweißen von verzinkten Stahlblechen im Automobilbau hat sich ein Abstand zwischen 0,1 und 0,2 mm als optimal erwiesen, weil er einerseits schmal genug ist, um eine Verbindung der beiden Bleche zu gewährleisten, und andererseits aber breit genug ist, um den beim Laserstrahlschweißen entstehenden Dämpfen genügend Raum zum Entweichen zu geben.
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Der Zinkentgasungsspalt wird teilweise durch den Einsatz zusätzlicher mechanischer Hilfsmittel (Spreizrolle, Einfachrolle, Doppelrolle oder Andrückfinger) an Laserbearbeitungsoptiken erreicht. Solche Lösungen haben den Nachteil, dass eine Entgasung der Schweißstelle nur durch einen zusätzlichen vorrichtungstechnischen Aufwand abgesichert werden kann, der zudem im Rahmen automatisierter Schweißprozesse weitere Einschränkungen bezüglich der realisierbaren Arbeitsgeschwindigkeit aufwirft.
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Zudem sind Verfahren bekannt, bei denen durch eine Ausbildung von Sicken, Noppen oder anderen Umformungen an den miteinander zu verschweißenden Werkstücken, Kanäle zum Entweichen der beim Schweißen entstehenden Gase gebildet werden. Diese dem Schweißen vorangehenden Umformungen eines Werkstückes werden mit gesonderten Vorrichtungen hergestellt, die zum einen material- und kostenaufwendig sind, und zum anderen auch die Produktivität negativ beeinflussen, da die Umformungen in separaten Umformvorgängen vorgenommen werden, so dass ein zusätzlicher Transport der Werkstücke zur Schweißvorrichtung erforderlich ist.
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Es ist demzufolge die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken durch Laserstrahlschweißen, bei dem mit geringem Material- und Kostenaufwand und mit wenigen Prozessschritten die Bildung eines verbesserten Entgasungsspalts zwischen den zu fügenden Werkstücken ermöglicht wird.
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Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Laserstrahlverschweißte Werkstückanordnung mit verbesserter Bauteilcharakteristik anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 13 gelöst.
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Nach seiner Aushärtung dient das Zusatzmaterial, das zumindest auf einem der beiden Werkstücke aufgebracht ist, vorzugsweise auch als Abstandshalter, um einen spaltförmigen Abstand zwischen den beiden Werkstücken während des Laserschweißprozesses zu halten, so dass durch diesen Spalt die Schweißemissionen entweichen können.
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Durch seine viskose Ausgangskonsistenz kann der Auftrag des Zusatzmaterials auf die Werkstückoberfläche vorzugsweise durch herkömmliche Auftragstechniken wie z. B. durch Streichen oder Spritzen (Sprühen) erfolgen. Durch den Rückgriff auf vorhandene Auftragsvorrichtungen kann auf zusätzliche mechanische Sondervorrichtungen, wie sie im Stand der Technik teilweise zur Sicherstellung des Entgasungsspaltes verwendet werden, verzichtet werden, was zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit des Laserschweißprozesses führt.
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Weiterhin sorgen die viskosen Eigenschaften des Zusatzmaterials in vorteilhafter Weise auch für eine gute Haftung auf der Oberfläche des Werkstückmaterials, so dass das Zusatzmaterial gezielt auf einen bestimmten Teilbereich der Werkstückoberfläche appliziert werden kann. Das viskose Zusatzmaterial kann somit gezielt in der näheren Umgebung der späteren Schweißnahtlage aufgebracht werden, um eine möglichst exakte Einstellung des Entgasungsspalts in diesem Schweißnahtbereich zu erreichen, ohne dass das Zusatzmaterial dabei verschmutzend in die spätere Fügestelle eindringt.
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Nach seiner Aufbringung härtet das Zusatzmaterial bevorzugt zu einer sehr harten Abstandshalterschicht aus, ohne dass hierzu ein konstruktiver Eingriff, beispielsweise eine Umformung, an einem oder beiden Werkstücken erforderlich ist.
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Indem die Auftragsvorrichtung für das viskose Zusatzmaterial nach einer vorteilhaften Ausführungsform in bereits bestehende Halter- und Handlingssysteme (z. B. Schweißvorrichtungen, Schweißroboter o. ä.) integriert wird, kann das Auftragsverfahren zur Spaltbildung problemlos in bereits bestehende Fertigungsabläufe eingebunden werden.
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Die Aushärtung des Zusatzmaterials erfolgt mit geringem apparativen Aufwand vorzugsweise einfach durch Wärme, zugesetzte Härter, Strahlung oder auch Feuchtigkeit, wobei die Mittel zur Aushärtung des Zusatzmaterials (beispielsweise Heizelemente oder Heizstrahler) vorzugsweise in die Auftragsvorrichtung integriert sind, so dass die Aushärtung des Zusatzmaterials ohne zusätzliche Apparatur zeitsparend sofort nach dessen Aufbringen einsetzt.
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Aufgrund der einfachen Verfügbarkeit wird als viskoses Zusatzmaterial vorzugsweise ein Klebstoff, beispielsweise ein marktgängiger Industrie-Schmelzklebstoff, verwendet, der schnell und gezielt aushärtbar ist.
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Es ist vorteilhaft, das Zusatzmaterial so zu wählen, dass seine Verdampfungstemperatur deutlich niedriger als die Schmelztemperatur des zu verschweißenden Werkstückmaterials liegt. Dadurch kann das Zusatzmaterial während des Laserschweißprozesses rückstandslos verdampfen, so dass ein Aufbringen des Zusatzmaterials auch im Bereich der späteren Schweißnaht möglich ist, da die Eigenschaften der Schweißverbindung durch das Zusatzmaterial nicht affektiert werden.
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Die Einstellung der Entgasungsspaltdicke kann einfach durch die Menge an aufgetragenem Zusatzmaterial gesteuert werden, wobei zu diesem Zweck der Auftragsvorrichtung vorzugsweise eine regelbare Dosiervorrichtung, beispielsweise eine Dosierpumpe, vorgeschaltet ist.
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Das viskose, aushärtbare Zusatzmaterial kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Füllwerkstoff, beispielsweise in Form von Sand-, Glas- oder Metallpartikeln, angereichert sein. Durch die Wahl der Partikeldurchmesser dieses Füllwerkstoffes kann eine definierte Spaltbreite eingestellt werden, die eine zuverlässige Entgasung erlaubt. Das Zusatzmaterial übernimmt in dieser Ausführungsvariante nur die Aufgabe eines Trägermediums, da die Abstandseinstellung vor allem durch den beigemischten Füllwerkstoff erfolgt, weshalb das Zusatzmaterial auch erst in einer späteren Prozessstufe nach dem Laserstrahlschweißprozess (z. B. im Lackierprozess) ausgehärtet werden kann.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße laserstrahlverschweißten Werkstückanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Aufbringens des viskosen Zusatzmaterials auf die Oberfläche eines Werkstückes,
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2 eine schematische Schnittdarstellung von zwei miteinander zu verbindenden Werkstücken mit Abstandseinstellung durch das ausgehärtete Zusatzmaterial,
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3 eine Schnittdarstellung gemäß 2 mit Abstandseinstellung durch ein mit Füllstoffpartikeln angereichertes Zusatzmaterial.
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Das Laserstrahlschweißen von Überlappnähten stellt hohe Anforderungen an die Fügeteilvorbereitung und die Spanntechnik und führt speziell bei beschichteten Werkstücken 1, 2, die im Überlappstoß 9 geschweißt werden, zu erheblichen Problemen bei der Schmelzbadentgasung.
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Um diese Probleme zu beheben, schlägt die vorliegende Erfindung vor, auf zumindest eines der beiden zu verbindenden Werkstücke 1 zunächst ein viskoses Zusatzmaterial 4 aufzutragen. In schematischer Darstellung ist in 1 dieser Schritt des Auftragens des viskosen Zusatzmaterials 4 auf eine Werkstückoberfläche 1' dargestellt.
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Zum Aufbringen des viskosen Zusatzmaterials 4 wird eine leistenförmige Auftragsvorrichtung 5 verwendet, die drei voneinander in Querrichtung (also horizontal) beabstandete Auftragsköpfe 10 aufweist. Durch einen jeweils senkrecht nach unten gerichteten Pfeil wird angedeutet, dass aus den Auftragsköpfen 10 jeweils ein viskoses Zusatzmaterial 4 austritt, welches auf die Oberfläche 1' des darunter angeordneten Werkstücks 1 abgelegt wird. Als Zusatzmaterial 4 wird bevorzugt ein aushärtbarer viskoser Klebstoff (z. B. Harz, o. ä.) auf die Werkstückoberfläche 1' aufgetragen.
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Die Auftragsvorrichtung 5 ist in nicht dargestellter Weise an ein entsprechendes Halter- oder Handlingssystem angeschlossen, das die Auftragsvorrichtung 5 mit den drei Auftragsköpfen 10 senkrecht zur Zeichenfläche in Längsrichtung über das Werkstück 1 verfährt. Durch diese Verfahrbewegung der Auftragsvorrichtung 5 wird der austretende Klebstoff 4 somit in drei beabstandeten linienförmigen Auftragsschichten 4 auf die Werkstückoberfläche 1' verteilt, wobei diese drei Auftragsschichten 4 in 1 und 2 jeweils nur im Querschnitt zu erkennen sind.
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Durch seine Viskosität verfließt der Klebstoff 4 nicht auf der Werkstückoberfläche 1', sondern bildet auf der Oberfläche 1' eine lokal begrenzte, im Querschnitt kreissegmentförmige Schicht 4, wobei die Dicke DK dieser auf dem Werkstück 1 abgelegten Klebstoffschichten 4 entscheidend von der am jeweiligen Auftragskopf 10 eingestellten Durchflussmenge des Klebstoffs 4 abhängt. Je größer der Klebstoffdurchsatz durch die Auftragsköpfe 10 (oder je langsamer die Verfahrbewegung der Auftragsvorrichtung 5) desto größer wird auch die Dicke DK der auf der Werkstückoberfläche 1' abgelegten Klebstoffschichten 4. Durch Variation dieser zwei Parameter (Klebstoffdurchsatz und/oder Verfahrgeschwindigkeit) besteht somit eine einfache Möglichkeit, die Dicke DK der Klebstoffschichten 4 und somit die Dicke d des zwischen den zu verschweißenden Werkstücken 1, 2 gebildeten Entgasungsspalts 3 zu regulieren.
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Die Auftragsvorrichtung 5 ist rein schematisch ohne jede Wiedergabe konstruktioneller Details dargestellt. Grundsätzlich kann jede beliebige Art von Auftragsaggregat vorgesehen werden, dass zur Applikation eines viskosen Materials auf ein Trägermaterial geeignet ist, beispielsweise eine Druck-, Spritz-, Sprüh- oder Streicheinrichtung. Der dargestellte, linienförmige Kleberauftrag kann beispielsweise über mehrere, beabstandete Schlitzdüsen, die mit oder ohne Zerstäubung durch Luft arbeiten, realisiert werden. Dies ist allerdings nur eine der für den linienförmigen Klebstoffauftrag geeigneten Möglichkeiten, denn auch der Einsatz von Rad- bzw. Siebdruck-Leimauftragsgeräten ist durchaus denkbar.
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Die aufgetragenen Klebstofflinien 4 können erst dann als Abstandshalter zum Aufrechterhalten eines definierten Entgasungsspalts 3 zwischen dem unteren und oberen Werkstück 1, 2 (vgl. 2) fungieren, wenn der Klebstoff 4 ausgehärtet ist und damit seine volle Druckstabilität erreicht. Diese Aushärtung der aufgetragenen Klebstoffschicht 4 kann zum Beispiel durch eine Bestrahlung (ultraviolette oder infrarote Strahlung), durch eine reine Wärmebehandlung (Heißluft, induktive Erwärmung des Blechs etc.) oder durch Verwendung von Zweikomponentensystemen (Klebstoff und anschließend separat zu applizierender Härter) erfolgen. Die eingesetzten Mittel 6 zur Aushärtung des Klebstoffs 4 (beispielsweise Ultraviolett- oder Infrarotlampen, Heizelemente oder Heizstrahler, Applikationsvorrichtungen wie Düsen oder Walzen für die Zugabe der Härterkomponente) können in unmittelbarer Nähe zum Auftragssystem 5 oder als separate Aushärtungsvorrichtung in einer eigenen späteren Prozessstufe eingesetzt werden.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst die Auftragsvorrichtung 5 sogar die Mittel 6 zur Aushärtung, wobei unmittelbar neben jedem der drei Auftragsköpfe 10 ein entsprechendes Aushärtemittel 6 (beispielsweise ein Strahler oder Heizer) angeordnet ist, so dass die jeweils vom Auftragskopf 10 aufgetragene Klebstofflinie 4 noch im Laufe ihrer Entstehung beim Verfahren der Auftragsvorrichtung 5 kontinuierlich und unmittelbar nach der Ablage auf die Werkstückoberfläche 1' ausgehärtet wird. Diese Integration der Aushärtevorrichtung 6 in die Auftragsvorrichtung 5 erlaubt ein simultanes Auftragen und Aushärten des Klebstoffs 4, was die Reduzierung der Zykluszeiten zur Bereitstellung des Entgasungsspalts 3 und damit die Steigerung der Gesamtproduktivität des entsprechenden Laserschweißverfahrens ermöglicht.
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2 zeigt in Querschnittsdarstellung zwei beschichtete Blechteile 1, 2 im Überlappstoß 9 mit einer erfindungsgemäß zwischengefügten Kleberschicht 4 zur Ausbildung eines Entgasungsspalts 3. Zur Bildung des Überlappstoßes 9 wird nach Aushärtung der aufgebrachten Kleberschicht 4 auf das Grundblech 1 ein Deckblech 2 aufgesetzt, das für die Dauer des Laserschweißvorganges zur positionsstabilen Fixierung durch eine nicht dargestellte Halterung gegen das Grundblech 1 und die Kleberschicht 4 von außen verspannt wird. Es wäre ebenfalls denkbar, das Deckblech 2 mit seiner Unterfläche 2' auf die noch viskose Kleberschicht 4 anzupressen und die Kleberschicht 4 erst anschließend, beispielsweise durch eine externe Beheizung des Grund- und/oder Deckbleches 1, 2, auszuhärten, so dass Grund- und Deckblech 1, 2 miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Somit kann der Entgasungsspalt 3 sicher eingestellt werden, ohne dass während des Schweißvorgangs eine zusätzliche Halterung zur Pressung des Deckbleches 2 an die Kleberschicht 4 des Grundbleches 1 notwendig wäre.
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Der Klebstoff 4 wird der Auftragsvorrichtung 5 aus einem Klebstoffbehälter vorzugsweise über eine Dosiervorrichtung, beispielsweise eine Dosierpumpe, zugeführt, so dass die Gesamtdurchflussmenge des Klebers 4 durch die Auftragsvorrichtung 5 oder gar die Durchflussmengen des Klebers 4 durch die einzelnen Auftragsköpfe 10 gesteuert werden können. Durch Variation dieser Kleberdurchflussmengen oder durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Auftragsköpfe 10 zum Ablegen der Klebelinien 4 über das Grundblech 1' verfahren, kann die Dicke DK der aufgetragenen Kleberschicht 4 eingestellt werden. Da die Dicke DK der Kleberschicht 4 der Dicke d des Entgasungsspaltes 3 im Wesentlichen entspricht, ist so eine einfache Regulierungsmöglichkeit zur Einstellung der Entgasungspaltdicke d garantiert, wobei die Spaltdicke d optimalerweise in einem Bereich zwischen 0,05 mm bis 0,2 mm liegt, um eine stabile reproduzierbare Schweißnahtgeometrie zu erreichen.
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In 3 ist schließlich ein Überlappstoß dargestellt, bei der die zur Spaltbildung verwendete Kleberschicht 4 zusätzlich mit einem partikelförmigen Füllwerkstoff 8 angereichert ist. Bei diesem Füllwerkstoff 8 handelt es sich vorzugsweise um Sand-, Glas- oder Metallpartikel, wobei die Einstellung der Spaltdicke d allein durch diese Partikel 8 bewerkstelligt wird. Da die Spaltdicke d im Wesentlichen dem Durchmesser DP der beigefügten Partikel 8 entspricht, kann durch eine Änderung der verwendeten Partikeldurchmesser DP eine dementsprechende Einstellung der Spaltdicke d erreicht werden. Das viskose Zusatzmaterial 4 erfüllt in dieser Ausführungsvariante nur die Funktion eines Trägermediums.
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In 2 sind durch strichpunktierte Linien die späteren Schweißnahtlagen 7 angedeutet. Die Klebstofflinien 4 sind dabei jeweils direkt neben diesen späteren Schweißnahtlagen 7 angeordnet, um eine sichere Einhaltung der Spaltdicke d im kritischen Schweißnahtbereich zu gewährleisten. Eine Entfernung der Zusatzmaterialschichten 4 von den späteren Schweißnahtlagen 7 im Bereich von wenigen Millimetern bis Zentimetern ist dabei unkritisch.
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Liegt die Verdampfungstemperatur des verwendeten Klebstoffs 4 oder eines anderen viskosen, aushärtbaren Zusatzmaterials deutlich unter der Schmelztemperatur des zu verschweißenden Werkstoffmaterials 1, 2, dann ist die Applizierung des Klebstoffs 4 oder eines anderen Zusatzmaterials, welches gegebenenfalls mit einem vorbeschriebenen Füllwerkstoff 8 angereichert ist, auch genau im Bereich der späteren Schweißnaht 7 möglich, da das Zusatzmaterial 4 während des Schweißvorganges sicher verdampfen und damit die Schweißnahtqualität nicht negativ beeinträchtigen würde.
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Zusammenfassend wird somit festgestellt: Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auf kostengünstige Weise die Sicherstellung eines Entgasungsspalts 3. Daraus folgt eine enorme Erhöhung der Prozesssicherheit des Laserstrahlschweißens an oberflächenbeschichteten Materialien unter Minimierung von Ausschuss und Nacharbeit und unter Steigerung der absoluten Produktqualität.
