DE102015009664B3 - Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner, mit dem ein Wachstum von Gefügeausbildungen mit hohem Sprödbruchverhalten beim Abkühlen der Schmelze in der Fügezone weitgehend vermieden und zugleich für einen definierten zeitbegrenzten Wärmeeintrag über den gesamten Schweißnahtverlauf gesorgt werden soll. Hierzu wird ein Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner mit folgenden Verfahrensschritten zur Verfügung gestellt: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners aus einem ersten metallischen Werkstoff, – Bereitstellen eines zweiten Fügepartners aus einem zweiten metallischen Werkstoff, und – Verschweißen des ersten und des zweiten Fügepartners mit Hilfe eines Energiestrahls mit hoher Leistung, der mit hoher Bahngeschwindigkeit v über den Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner geführt wird, wobei mehrere punktuelle Verschweißungen der beiden artungleichen Fügepartner erzeugt werden, indem jeweils der Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten Fügepartner eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner.
• Aus der DE 10 2004 009 651 B4 ist ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungsstellen bekannt, bei dem zwischen einem Fügepartner aus einem ersten metallischen Werkstoff und einem anderen Fügepartner aus einem zweiten metallischen Werkstoff eine Lage eines Schweißzusatzwerkstoffes aus einem dritten metallischen Werkstoff vorgesehen wird und die beiden Fügepartner unter Einbindung des Schweißzusatzstoffes mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls verschweißt werden. Hierbei werden die flächigen Fügepartner und die Zusatzwerkstoff-Lage mittels des Energiestrahls stumpf an ihren freiliegenden Randkanten miteinander verschweißt, wobei der Energiestrahl gegenüber der Fügeflächenebene zwischen den Fügepartnern versetzt in Richtung zu dem niedriger schmelzenden Fügepartner hin appliziert wird.
• Weiterhin ist aus der DE 10 2010 039 893 A1 ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner bekannt, bei dem zunächst ein erster Fügepartner aus einem ersten metallischen Werkstoff und ein zweiter Fügepartner aus einem zweiten metallischen Werkstoff bereitgestellt werden. Darauf erfolgt ein Verschweißen des ersten Fügepartner und des zweiten Fügepartners mit Hilfe eines Laserstrahls hoher Leistung, indem letzterer über den Fügepartner mit dem niedrigeren Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner geführt wird.
• Zudem ist aus der EP 1 779 962 A1 ein weiteres Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner mittels eines Laserstrahls hoher Leistung bekannt, bei dem der Laserstrahl ebenfalls auf den Fügepartner mit dem niedrigerem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner gerichtet wird.
• Thermisches Fügen von Stahl-Aluminium-Verbindungen mittels Lichtbogen- oder Laser-Schweißverfahren unter Verwendung von Aluminium-Zusatzstoffen ist dem Fachmann als sog. Schweiß-Löten geläufig. Hierbei wird am Fügepartner aus der niedrig schmelzenden Aluminiumlegierung eine Schweißverbindung erzeugt, während am Fügepartner aus dem höher schmelzenden, nicht schmelzflüssigen Stahl eine Lötverbindung entsteht, deren Bindungsfestigkeit durch den Benetzungsgrad und die Benetzungsfläche des Lotes an der Stahloberfläche bestimmt wird. Adhäsionskräfte bilden sich zwischen Lot und Stahloberfläche. Durch elektrostatische und Diffusionsvorgänge erfolgt im Grenzflächenbereich ein makroskopischer Stoff- und Ladungsausgleich.
• Ein Problem ist bislang, dass beim Schweißen von Fügepartnern aus artungleichen Werkstoffen während des Abkühlens der Schmelze beider Werkstoffe im Grenzflächenbereich intermetallische Phasensäume entstehen, die Gefügeausbildungen mit hohem Sprödbruchverhalten darstellen und die die Bindungseigenschaften der beiden artungleichen Werkstoffe zu Nichte machen.
• Bei der Bildung einer Legierung ist zwischen homogener und heterogener Legierungsbildung zu unterscheiden. Bei einer homogenen Legierungsbildung werden die Atome der zugegebenen Komponenten substitutionell oder interstitiell in dem Kristallgitter der anderen Komponente gelöst. Ein homogener Mischkristall ist gegeben, wenn in diesem die Atome statistisch verteilt vorliegen. In einem Kristallgitter können nur solche Fremdatome interstitiell eingebaut werden, die sehr viel kleiner sind als die des Matrixgitters. So können z. B. Eisen und Aluminium nicht interstitiell in einander gelöst werden.
• Nach den Regeln von Hume-Rothery kann eine vollständige substitutionelle Mischkristallbildung nur erfolgen, wenn
• – der Unterschied der Atomradien der beteiligten Komponenten nicht mehr als 15% beträgt,
• – der Unterschied der Elektronennegativität klein ist,
• – die Valenzelektronenzahlen ähnlich sind,
• – die Komponenten im flüssigen Zustand vollständig ineinander mischbar sind,
• – der Gittertyp der Komponenten der gleiche ist.
• Wird nur eine diese Regeln verletzt, so hat das eine sehr eingeschränkte Löslichkeit der beiden Komponenten ineinander zur Folge und ist in vielen Fällen mit der Bildung intermetallischer Phasen verbunden. Im Fall von Eisen-Aluminium-Verbindungen kommt es über eine weite Spanne an Zusammensetzungen zu einer Bildung von intermetallischen Phasen, die hart und spröde sind.
• Auch bei Fügeprozessen von Stahl-Aluminiumlegierung-Verbindungen mittels Laser kommt es zur Bildung von harten und spröden intermetallischen Phasen, die die mechanischen Eigenschaften der Fügezone der Fügepartner negativ beeinflussen. Eine Reduzierung der sich an der Grenzfläche zur Aluminiumlegierung ausbildenden intermetallischen Grenzschicht wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindung der beiden Fügepartner aus.
• Z. B. hat Aluminium einen Schmelzpunkt von 660°C, während Eisen erst bei 1539°C flüssig wird. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist etwa drei Mal so groß, wie die von Stahl und der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium ist um den Faktor zwei größer als der von Stahl. Hierdurch entstehen beim Abkühlen nach dem Fügen von Stahl und Aluminiumlegierungen Spannungen in der Fügezone. Um letztere möglichst klein zu halten, ist für einen Fügeprozess mit möglichst geringer Wärmeeinbringung in die Fügezone der beiden Fügepartner zu sorgen.
• Je geringer der Strahl-Durchmesser des Laserstrahls ist, der auf den Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner appliziert ist, umso höher ist bei konstanter Leistung die mittlere Leistungsdichte E in der bestrahlten Fläche, durch die der Laserschweißprozess maßgeblich beeinflusst wird. Die lokal eingestrahlte Leistungsdichte E_lokal ist von dem Strahlprofil des Lasers bzw. von der konkreten Leistungsdichteverteilung im Laserstrahl abhängig.
• Zudem ist die flächenbezogene Energiedichte w das Integral der mittleren Leistungsdichte E abhängig von der Dauer der Laserstrahlapplikation (Bestrahlungszeit) t. Somit ist:
  w = Integral E(t) [Ws/m² = J/m²], wobei E(t) auch eine ortsabhängige Funktion ist.
• Die mittlere Leistungsdichte E in der bestrahlten Zone und der Absorptionsgrad des bestrahlten Materials bestimmen, welche physikalische Wechselwirkung zwischen dem applizierten Laserstrahl und dem beaufschlagten Fügepartner eintritt. Bei geringen mittleren Leistungsdichten E (z. B. im Bereich von etwa 10³ bis 10⁴ W/cm² für Stahl) wird das Material des beaufschlagten Fügepartners lediglich erwärmt. Bei mittleren Leistungsdichten E (für Stahl in der Größenordnung von 10⁴ bis < 10⁶ W/cm²) kommt es zum Aufschmelzen der Oberfläche des beaufschlagten Fügepartners. Beim Überschreiten eines Grenzwertes der mittleren Leistungsdichte E in der bestrahlten Zone (von etwa 10⁶ W/cm² für Stahl) verdampft das Material des beaufschlagten Fügepartners beim Auftreffen des Laserstrahls auf diesen. In Abhängigkeit von der mittleren Leistungsdichte E des Laserstrahls auf dem beaufschlagten Fügepartner wird daher zwischen einem sogenannten Wärmeleitschweißen und einem Tiefschweißen unterschieden.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, beim Schweißen von artungleichen metallischen Fügepartnern dafür zu sorgen, dass beim Abkühlen der Schmelzen der beiden artungleichen Werkstoffe in deren Grenzflächenbereich ein Wachstum von kritischen intermetallischen Phasen, die Gefügeausbildungen mit hohem Sprödbruchverhalten darstllen, weitgehend vermieden wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner zur Verfügung zustellen, das diesen Anforderungen ohne die Notwendigkeit des Einsatzes von Schweißzusatzwerkstoffen gerecht wird. Zudem ist für einen definierten zeitbegrenzten Wärmeeintrag über den gesamten Schweißnahtverlauf zu sorgen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner mit den Verfahrensschritten:
• – Bereitstellen eines ersten Fügepartners aus einem ersten metallischen Werkstoff,
• – Bereitstellen eines zweiten Fügepartners aus einem zweiten metallischen Werkstoff, und
• – Verschweißen des ersten und des zweiten Fügepartners mit Hilfe eines Energiestrahls mit hoher Leistung, der mit hoher Bahngeschwindigkeit v_B über den Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner geführt wird, wobei mehrere punktuelle Verschweißungen der beiden artungleichen Fügepartner erzeugt werden, indem jeweils der Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten Fügepartner eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
• Geeignet erfolgt die punktuelle Verschweißung der beiden artungleichen metallischen Fügepartner durch eine periodische Modulation der durch den Energiestrahl auf dem Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner applizierten flächenbezogenen Energiedichte.
• Bevorzugt erfolgt die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w durch eine periodische Bewegungssteuerung des Energiestrahls zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner, wobei auf dem Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner ein stetes Verändern der Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls bei konstanter Leistung des letzteren erzeugt wird.
• Vorzugsweise erfolgt zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w, die in einer periodischen Variation der Einschweißtiefe resultiert, durch eine inkonstante Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls, erzeugt durch eine nichtlineare Bewegungssteuerung, wobei die mittlere Leistungsdichte auf dem Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner zu jedem Zeitpunkt des Schweißprozesses konstant gehalten wird.
• Alternativ kann die periodische Variation der Einschweißtiefe zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner auch erfolgen, indem eine periodische Veränderung der mittleren Leistungsdichte des Laserstrahls auf dem Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner durch Leistungsvariation bei konstanter Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls erreicht wird.
• Darüber hinaus kann eine periodische Variation der Einschweißtiefe zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner auch erfolgen, indem eine inkonstante Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls mit einer periodischen Veränderung der mittleren Leistungsdichte des Laserstrahls auf dem Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt kombiniert wird.
• Der periodisch gesteuerte Bewegungsablauf des Energiestrahls kann wellenförmig oder sinusförmig erzeugt werden. Es erfolgen nur an den Umkehrpunkten des wellen- oder sinusförmigen Bewegungsablaufs so hohe, definierte, zeitbegrenzte Wärmeeinträge, dass über den gesamten Schweißnahtverlauf periodisch nur an diesen ein punktuelles Durchschmelzen des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt und die Erzeugung einer Schweißung der beiden artungleichen Fügepartner erfolgt, wobei die Schmelze des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig im zweiten Fügepartner eingebettet wird und die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
• Die Schweißverbindungen in Form einer parabolischen Tropfengeometrie des ersten Fügepartners eingebettet im zweiten Fügepartner können im Wärmeleitschweißverfahren oder durch Tiefschweißen hergestellt werden.
• Bevorzugt werden die beiden Fügepartner aus einem Stahl einerseits und einer Aluminiumlegierung andererseits gewählt und als Energiestrahl ein Laserstrahl, bevorzugt eines CW-Lasers, verwendet.
• Die Schweißverbindungen zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner können zum Beispiel erzeugt werden, indem der Laserstrahl mit einer einstellbaren konstanten Vorschubgeschwindigkeit v in eine Richtung x, die die Schweißrichtung darstellt, über verstellbare Spiegel abgelenkt (Remote-Prozess), oder die Optik des Laserstrahlaustritts in diese Richtung verfahren wird, während zur selben Zeit eine periodische Pendelbewegung desselben Laserstrahls in eine Richtung y transversal oszillierend zur Schweißrichtung erstere Bewegung über dem mit Energie zu beaufschlagenden Fügepartner überlagert. Letztere Bewegung, die transversal oszillierend zur Schweißrichtung in y-Richtung als eine Pendelbewegung mit einer Frequenz f erfolgt, kann zum Beispiel durch Ablenkung des Laserstrahls über verstellbare Spiegel (Remote-Prozess) oder durch eine Exzenterwelle, an der die in x-Richtung verfahrbare Optik des CW-Lasers gelagert ist, erfolgen. Auf dem beaufschlagten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt ergibt sich nach dem Superpositionsprinzip eine zweidimensionale Bewegungsüberlagerung in x- und in y-Richtung, die resultierend eine periodisch oszillierende wellenförmige Bewegung des auftreffenden Laserstrahls abbildet. Durch den Anteil der Pendelbewegung ist die Geschwindigkeit des Laserstrahls auf der Oberfläche des zu beaufschlagenden Fügepartners mit höherer Schmelztemperatur der beiden artungleichen metallischen Fügepartner nicht konstant, sondern besitzt ihre Maxima an den Wendepunkten und ihre Minima an den Umkehrpunkten der periodischen, wellen- oder sinusförmigen Schweißnaht.
• Bevorzugt wird die Vorschubgeschwindigkeit v in Schweißrichtung mit einem Wert von v = 30 mm/s gewählt und diese durch eine Pendelbewegung transversal oszillierend zur Schweißrichtung in mit einer Frequenz von 30 Hz und Amplitude von 1 mm überlagert.
• In den Umkehrpunkten der wellenförmigen oszillierenden Bewegung ist der flächenbezogene Energiedichteeintrag somit erhöht und durch die damit verbundene höhere Einschweißtiefe wird in jedem Umkehrpunkt der periodischen Bewegung des Laserstrahls eine punktuelle Schweißverbindung des ersten Fügepartners und des zweiten Fügepartners gebildet.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht definierte, zeitbegrenzte Wärmeeinträge an den Umkehrpunkten des wellen- oder sinusförmigen Bewegungsablaufs über den gesamten Schweißnahtverlauf verbunden mit einer geringen Durchmischung der Schmelzen der artungleichen Fügepartner und einer rapiden Wärmeableitung in deren Fügestelle während des Abkühlungsprozesses der Schmelzen der beiden Werkstoffe. Hierdurch wird eine Begrenzung des Wachstums der Ausbildung von möglichen kritischen intermetallischen Phasen mit hohem Sprödbruchverhalten erreicht.
• Die flächenbezogene Energiedichte w als Integral der mittleren Leistungsdichte E des auf den Fügepartner mit der höheren Schmelztemperatur der beiden artungleichen metallischen Fügepartner applizierten Laserstrahls ist abhängig von der Dauer der Laserstrahlapplikation (Bestrahlungszeit) t, wobei E(t) auch eine ortsabhängige Funktion ist. Genutzt werden kann die Nichtlinearität einer periodischen Bewegung des Laserstrahls und die damit verbundene inkonstante Bahngeschwindigkeit v_B des Laserstrahls, um die in den Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner eingebrachte Energie periodisch zu variieren. Diese ist an den Umkehrpunkten z. B. eines wellen- oder sinusförmigen Bewegungsablaufes des CW-Laserstahls mit konstanter Leistung höher als während des restlichen Schweißprozesses. Es erfolgt somit ein Aufschmelzen des vom CW-Laserstrahl beaufschlagten Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt, wie z. B. eines Stahlblechs, mit periodisch unterschiedlicher Schmelzbadtiefe. An den Punkten der höchsten Energieeinbringung in die Fügestelle, d. h., an den Umkehrpunkten des periodischen Bewegungsablaufes des CW-Laserstrahls, erfolgt ein punktuelles Durchschmelzen des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt, z. B. eines Stahlblechs, der beiden artungleichen metallischen Fügepartner und die Erzeugung einer Schweißung letzterer, wobei die Schmelze des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig im zweiten Fügepartner eingebettet wird und die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
• Durch die periodische Modulation der applizierten Energiemenge pro Flächeneinheit wird eine Stabilisierung eines instabilen Schweißprozesses gewährleistet. Da infolge der periodisch angeordneten Schweißpunkte der beiden artungleichen metallischen Fügepartner keine durchgängige lineare Schweißnaht entsteht, wird ein mögliches Wachsen von Rissen bei der möglichen Entstehung spröder intermetallischer Phasen unterbrochen.
• Die Notwendigkeit des Einsatzes von Schweißzusatzstoffen ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht gegeben. Zudem wird beim Abkühlen der Schmelze der beiden artungleichen Werkstoffe ein Wachstum von kritischen intermetallischen Phasen, die Gefügeausbildungen mit hohem Sprödbruchverhalten darstellen, weitgehend vermieden. Durch die Überlagerung einer Vorschubbewegung mit der Geschwindigkeit v mit einer Pendelbewegung mit der Frequenz f weist der Laserstrahl auf der Oberfläche des beaufschlagten Fügepartners eine nicht gleichförmige Bahngeschwindigkeit v_B auf. Bei einer geringen Bahngeschwindigkeit v_B des auf der Oberfläche des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt der beiden Fügepartner applizierten Laserstrahls wird mehr Energie pro Flächeneinheit eingebracht als bei einer hohen Bahngeschwindigkeit v_B. Die Bahngeschwindigkeit v_B des Laserstrahls ist inkonstant und an den Umkehrpunkten der wellenförmigen Bewegung des Laserstrahls am geringsten. Dies hat eine höhere flächenbezogene Energiedichte w und damit eine größere Wärmeeinbringung verbunden mit einer tieferen Einschweißung an diesen Stellen zur Folge, sodass nur an diesen Punkten eine Verschweißung der artungleichen Fügepartner erzeugt wird.
• Bei Bereitstellung von artungleichen metallischen Fügepartnern aus einem Stahl einerseits und einer Aluminiumlegierung anderseits begünstigt die hohe Wärmleitfähigkeit der Aluminiumlegierung und die tropfenförmige Ausbildung jedes Schweißpunktes eine schnelle Erstarrung der Schmelze in der Fügezone der beiden artungleichen metallischen Fügepartner. Zudem findet durch die punktuelle Verschweißung nur eine geringe Durchmischung der beiden ungleichen Werkstoffe statt. Folglich bilden sich im Übergangsbereich zur Aluminiumlegierung spröde und harte aluminiumreiche intermetallische Phasen nur in sehr geringem Maße aus, wie durch Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM-Aufnahmen), und Energie dispersive Röntgenspektroskopie (EDX) an den beiden verschweißten artungleichen metallischen Fügepartnern belegt ist.
• Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
• 1 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines auf die Oberfläche eines Fügepartners applizierten Laserstrahls,
• 2 eine schematische Darstellung des Bewegungsablaufs des Laserstrahls,
• 3a eine Darstellung der Oberfläche der Schweißnaht der beiden verschweißten artungleichen metallischen Fügepartner,
• 3b eine Darstellung der Bruchfläche der Schweißnaht seitens des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner,
• 3c eine Darstellung der Bruchfläche der Schweißnaht seitens des Fügepartners mit niedrigerem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner und
• 4 ein Diagramm, das schematisch die flächenbezogene Energiedichte w auf dem vom Laserstrahl beaufschlagten Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner zeigt.
• Gemäß 1 kann die Optik eines CW-Faserlasers 1 an einem Vorschubantrieb gelagert sein, von dem die Optik des CW-Lasers 1 in x-Richtung mit einer einstellbaren konstanten Vorschubgeschwindigkeit v über den zu beaufschlagenden Fügepartner 3 mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen Fügepartner 3; 4 hin zu verfahren und zugleich mittels der Exzenterwelle 2 in y-Richtung in eine Pendelbewegung mit einer Frequenz f zu versetzen ist.
• Durch die Überlagerung der konstanten Vorschubgeschwindigkeit v in x-Richtung mit der Pendelbewegung in y-Richtung mit der Frequenz f führt der Laserstrahl 5 des CW-Lasers 1 eine resultierende periodische wellenförmige Bewegung 6 auf dem beaufschlagten Fügepartner 3 mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner 3; 4 aus.
• 2 zeigt schematisch den mit nicht unterbrochener Strichführung gekennzeichneten Bewegungsablauf 6 des Laserstrahls 5 und strich-punktiert gekennzeichnet dessen lineare Vorschubbewegung. 2 verdeutlicht, dass die Schweißpunkte 7 an den senkrecht schraffiert gekennzeichneten Umkehrpunkten 8 liegen. An den Umkehrpunkten 8 des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufes 6 des Laserstrahls 5 ist die Geschwindigkeit der punktiert gekennzeichneten linearen vertikalen Bewegung des wellenförmigen Bewegungsablaufes 6 Null und an den gitterförmig gekennzeichneten Wendepunkten 9 des wellenförmigen Bewegungsablaufes 6 maximal.
• Der verwendete CW-Laser 1 gibt seine Energie kontinuierlich ab, so dass die Leistungsdichte E des Laserstrahls 5 auf der Oberfläche des von diesem beaufschlagten Fügepartners 3 mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner 3; 4 zu jedem Zeitpunkt des Schweißprozesses gleich groß ist.
• 3a zeigt die Oberfläche einer 15 mm langen Schweißnaht der beiden artungleichen metallischen Fügepartner 3; 4 aus Stahlblech einerseits und einem Aluminiumlegierungsblech andererseits bei einer Schweißrichtung gemäß Pfeil S in 3a. Das Stahlblech hat punktuelle Verschweißungen mit dem darunter liegenden Aluminiumlegierungsblech gebildet, wobei an den Umkehrpunkten 8 der wellenförmigen Bewegung 6 des Laserstrahls 5 eine erhöhte flächenbezogene Energiedichte w bei der Bildung des jeweiligen Schweißpunktes 7 gegeben ist.
• Wie bereits ausgeführt, ist die flächenbezogene Energiedichte w das Integral der mittleren Leistungsdichte E(t) in Abhängigkeit von der Zeitdauer der Laserstahlapplikation (Bestrahlungszeit). Somit ist:
  w = Integral E(t) [Ws/m² = J/m²], wobei E(t) auch eine ortsabhängige Funktion ist.
  E = Leistungsdichte des Laserstrahls,
  t = Applikationszeit des Laserstrahls
• Die 3b und 3c zeigen schematisch die Stahlblech-seitige Bruchfläche bzw. die Aluminiumlegierungsblech-seitige Bruchfläche einer Abscherung durch die Laserschweißnaht gemäß 3a entlang der Grenzfläche zur nicht aufgeschmolzenen Aluminiumlegierung. Aus den Darstellungen gemäß 3b und 3c geht deutlich die Ausbildung der zu einander im Abstand angeordneten punktuellen Schweißverbindungen 7 hervor, die jeweils an den Umkehrpunkten 8 des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufs 6 des auf das Stahlblech applizierten Laserstrahls 5 gebildet sind.
• Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung und die tropfenförmige Ausbildung der Stahl-Schmelze eingebettet in der lokal aufgeschmolzenen Aluminiumlegierung am jeweiligen Schweißpunkt 7 sorgen für eine schnelle Erstarrung der Schmelzen, die sich nur in geringem Maße durchmischen. Dies hat zur Folge, dass sich im Übergangsbereich zur festen Aluminiumlegierung, wenn überhaupt, dann nur geringfügig aluminiumreiche intermetallische Phasen ausbilden, die hart und spröde sind.
• 4 zeigt in diagrammartiger Darstellung die von der Bestrahlungszeit t (s) des Laserstrahls 5 abhängige flächenbezogene Energiedichte w [J/m²], die das Integral der konstanten mittleren Leistungsdichte E [W/m²] über der Applikationszeit t ist.
• Bezugszeichenliste

1

Optik des CW-Faserlasers, die mit einer konstanten, einstellbaren Vorschubgeschwindigkeit v in x-Richtung verfahren werden kann

2

Exzenterwelle, mit der die Optik mit einer Frequenz f in y-Richtung gependelt werden kann

3

Fügepartner mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner

4

Fügepartner mit niedrigerem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner

5

Laserstrahl

6

periodischer wellenförmiger Bewegungsablauf des Laserstrahls auf der Oberfläche des Fügepartners mit höherem Schmelzpunkt

7

Scherbruchfläche einer punktuellen Verschweißung

8

Umkehrpunkt des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufes des Laserstrahls

9

Wendepunkt des periodischen wellenförmigen Bewegungsablaufes des Laserstrahls

Pfeil S

Schweißrichtung

x

Richtung des Vorschubs der Optik des CW-Faserlasers

y

Richtung der Pendelbewegung der Optik des CW-Faserlasers

t

Bestrahlungszeit

Claims (10)

1. Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines ersten Fügepartners (3) aus einem ersten metallischen Werkstoff, – Bereitstellen eines zweiten Fügepartners (4) aus einem zweiten metallischen Werkstoff, und – Verschweißen des ersten und des zweiten Fügepartners (3; 4) mit Hilfe eines Energiestrahls (5) mit hoher Leistung, der mit hoher Bahngeschwindigkeit v_B über den Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) geführt wird, wobei mehrere punktuelle Verschweißungen der beiden artungleichen Fügepartner (3; 4) erzeugt werden, indem jeweils der Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt nur punktuell durchgeschmolzen wird, die Schmelze des Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt tropfenartig in dem zweiten Fügepartner (4) eingebettet wird und dabei die Schmelzen der beiden metallischen Fügepartner (3; 4) nur zu einem geringen Anteil durchmischt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die punktuelle Verschweißung der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) durch eine periodische Modulation der durch den Energiestrahl (5) auf dem Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) applizierten flächenbezogenen Energiedichte w erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w durch eine periodische Bewegungssteuerung des Energiestrahls (5) zum Verschweißen der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) erfolgt, wobei auf dem Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) ein stetes Verändern der Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls (5) bei konstanter Leistung des letzteren erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w erfolgt, indem eine periodische Veränderung der mittleren Leistungsdichte des Energiestrahls (5) auf dem Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) durch Variieren der Leistung des Energiestrahls (5) bei konstanter Bahngeschwindigkeit v_B des letzteren bewirkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Modulation der flächenbezogenen Energiedichte w erfolgt, indem bei inkonstanter Bahngeschwindigkeit v_B des Energiestrahls (5) die mittlere Leistungsdichte des Energiestrahls (5) auf dem Fügepartner (3) mit höherem Schmelzpunkt periodisch verändert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsablauf (6) des periodisch gesteuerten Energiestrahls (5) auf der Oberfläche des Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt periodisch wellenförmig erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Umkehrpunkten (8) des periodisch wellenförmigen Bewegungsablaufs (6) des Energiestrahls (5) erhöhte, zeitbegrenzte Wärmeeinträge erfolgen, die an den Umkehrpunkten (8) zu der punktuellen Verschweißung der beiden artungleichen metallischen Fügepartner (3; 4) führen.
8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die punktuellen Verschweißungen zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner (3; 4) erzeugt werden, indem die Optik (1) eines CW-Faserlasers in eine Richtung x mit einer einstellbaren konstanten Vorschubgeschwindigkeit v bewegt wird, während die Optik (1) des CW-Faserlasers gleichzeitig in eine Richtung y oszillierend transversal zur Schweißrichtung gependelt wird, wobei sich nach dem Superpositionsprinzip eine zweidimensionale Bewegungsüberlagerung in y- und x-Richtung einstellt, die resultierend eine periodisch oszillierende transversale Schwingungsgeometrie auf der Oberfläche des Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt in Schweißrichtung abbildet, in den Umkehrpunkten (8) der oszillierenden Bewegungen der Energiedichteeintrag sich damit erhöht und durch das damit verbundene Durchschmelzen des Fügepartners (3) mit höherem Schmelzpunkt die punktuellen Verschweißungen der beiden artungleichen Fügepartner (3; 4) gebildet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (3; 4) aus Stahl einerseits und Aluminiumlegierung andererseits gewählt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl (5) ein Laserstrahl verwendet wird.

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