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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Schweißnaht, ein Verfahren zur Sichtkontrolle einer Schweißnaht sowie eine Schweißnaht
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Das Laserschweißen hat sich als Fügeverfahren in der Fahrzeugindustrie etabliert. Dem Laser-Remote-Schweißen, bei dem der Laserstrahl über eine Scannervorrichtung in zumindest zwei Achsen bewegt werden kann und mit großem Arbeitsabstand zu den Werkstücken arbeitet, kommt hierbei aufgrund der hohen erreichbaren Geschwindigkeiten und großen Flexibilität eine zunehmende Bedeutung zu.
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Die mittels Laserstrahl gefügten Werkstückanordnungen müssen den Anforderungen an die Prozesssicherheit genügen. Hierzu ist es bekannt, eine Online-Prozessüberwachung während der Schweißung durchzuführen. Weiterhin erfolgt eine Kontrolle der ausgebildeten Schweißnähte nach der Schweißung zur Erkennung eventueller Schweißfehler.
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Zur Sicherstellung einer ausreichenden Einschweißtiefe ist es üblich, die Schweißung als Durchschweißung auszuführen und die Nahtgüte anhand einer Sichtprüfung der Naht, insbesondere der Unterraupe, zu kontrollieren. Die Durchschweißung geht jedoch mit starker Spritzerbildung und Schmauchbildung einher, wodurch die Standfestigkeit der Schweißvorrichtung reduziert wird. Weiterhin leidet die Qualität der Produkte durch Spritzer und Schmauch. Bei korrosionsgeschützten Blechen, z.B. verzinkten Stahlblechen, kann es aufgrund von verdampften Korrosionsschutzschichten vermehrt zu Korrosionsproblemen kommen, was den Einsatzbereich durchgeschweißter Werkstücke reduziert.
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Um die aus der Durchschweißung resultierenden Nachteile zu vermeiden, kann die Naht als eingeschweißte Naht ausgebildet werden, d.h. ohne sichtbare Durchschweißungen. Kritisch ist hierbei jedoch die Überprüfung der tatsächlich erreichten Einschweißtiefe, da diese prozessbedingt, z.B. durch zu große Spaltmaße, Fehlpositionierung des Strahls etc., nicht die beabsichtigte Tiefe erreichen kann.
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Die Prüfung der Einschweißtiefe ist bei eingeschweißten Nähten aufwendiger und kann beispielsweise mit einem Verfahren nach der Wärmefluss-Thermographie-Methode erfolgen. Thermographie-basierte Systeme zur Qualitätssicherung beurteilen die Nahtqualität anhand der Wärmeleitungsfähigkeit der Fügestelle. Hierzu wird der Fügeverbindung durch eine Wärmequelle kurzzeitig ein Wärmegradient aufgeprägt. Dieser wandert durch die Fügeverbindung. In Bereichen guter Anbindung erfolgt hierbei ein schnellerer Wärmetransport als in Bereichen schlechter Anbindung oder Fehlstellen. Dies lässt sich mithilfe einer Wärmebildkamera erfassen und auswerten. So schlägt die Druckschrift
DE 10 2007 031 206 B3 vor, mehrere Wärmeflussbilder zu verschiedenen Zeitpunkten aufzunehmen, um verschiedene Fehlerarten sichtbar zu machen. Nachteilig ist an dieser Prüfmethode der apparative und zeitliche Aufwand sowie die damit verbundenen Kosten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ausbildung einer Schweißnaht sowie eine Schweißnaht anzugeben, die die voranstehend beschriebenen Nachteile nicht oder nur in verringertem Maße aufweist und deren Qualität mit einfachen Mitteln kontrolliert werden kann. Weiterhin soll ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Qualitätsprüfung einer Schweißnaht angegeben werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Maßnahmen von Patentanspruch 1, eine Schweißnaht nach Patentanspruch 9 und ein Verfahren zur Sichtprüfung nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Ausbildung einer Schweißnaht mittels Laserschweißen, insbesondere mittels Laser-Remote-Schweißen, ein kontinuierlich emittierter Laserstrahl relativ zu einer Werkstückanordnung entlang einer Bahn geführt und durch die Verwendung eines vorgegebenen ersten Schweißparametersatzes wird eine eingeschweißte Naht ausgebildet. In voneinander beabstandeten Schweißnahtabschnitten werden durch die Verwendung zumindest eines vorgegebenen weiteren Schweißparametersatzes Energieeintragsspitzen eingebracht, wobei der zumindest eine weitere Schweißparametersatz geeignet ist, optische Merkmale auf der dem Laserstrahl abgewandten Oberfläche der Werkstückanordnung auszubilden.
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Der erste Schweißparametersatz beinhaltet vorgegebene erste Schweißparameterwerte, die nominell geeignet sind, an der entsprechenden Werkstückanordnung eine Einschweißung ohne sichtbare Durchschweißung mit einer beabsichtigten Einschweißtiefe zu erzielen. Die tatsächlich erreichte Einschweißtiefe kann jedoch von der nominellen Einschweißtiefe abweichen und muss überprüft werden.
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In dem zumindest einen weiteren Schweißparametersatzsind die Schweißparameterwerte, auch weitere Schweißparameterwerte genannt, ebenfalls vorgegeben und so gewählt, dass mit ihnen in der Werkstückanordnung eine größere Einschweißtiefe erzeugt werden kann, die so groß ist, dass dies auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite optisch erkennbar wird, z.B. in Form von Anlauffarben oder als Durchschweißung. Bei dauerhafter Verwendung der Schweißparameterwerte des weiteren Schweißparametersatzes würde z.B. eine vollständig durchgeschweißte Naht ausgebildet. Die Schweißparameterwerte des weiteren Schweißparametersatzes werden jedoch nur kurzzeitig verwendet und die hierdurch erzeugte Energieeintragsspitze führt zur Bildung eines optischen Merkmals. Die Taktung zwischen zwei Impulsen mit dem weiteren Schweißparametersatz und die Dauer jedes Impulses kann je nach Anforderung variiert werden. Der weitere Schweißparametersatz wird vorzugsweise mit einer Impulslänge verwendet, die nur einen Bruchteil der Taktung zwischen zwei Impulsen beträgt, z.B. ein Fünftel oder weniger oder ein Zehntel oder weniger der Taktung, aber lang genug ist, um ein optisch auswertbares Ergebnis zu erzeugen.
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Die ersten und weiteren Schweißparameterwerte können z.B. an Grenzmustern bestimmt werden und im Rahmen einer Prozessertüchtigungsphase auf die Serienbauteile übertragen werden. Für unterschiedliche Werkstückanordnungen, wie z.B. unterschiedliche Blechdicken, Blechanordnungen, Materialien etc. werden jeweils eigene erste und weitere Schweißparameterwerte bestimmt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es ausreicht, die Einschweißtiefe nur für diejenigen Schweißnahtabschnitte zu überprüfen, in denen mit dem zumindest einen weiteren Schweißparametersatz geschweißt wird, um eine Qualitätsaussage über die Einschweißtiefe der gesamten Naht treffen zu können. Werden in den Schweißnahtabschnitten die optischen Merkmale durch eine Erhöhung der Einschweißtiefe wie beabsichtigt ausgebildet, so kann geschlussfolgert werden, dass auch mit den ersten Schweißparameterwerten die angestrebte Einschweißtiefe erreicht wurde.
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Die optischen Merkmale ermöglichen es, die Nahtqualität und die Lage der Naht auf die gleiche Art und Weise zu beurteilen, wie dies bei vollständig durchgeschweißten Nähten möglich ist. Insbesondere ist kein zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich.
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Weiterhin werden die Werkstückoberflächen weniger stark geschädigt, da keine Durchschweißung mehr erfolgt oder nur noch kleine räumlich begrenzte, z.B. punktförmige Durchschweißungen. Dies ist insbesondere vorteilhaft zur Reduzierung von Korrosionsproblemen bei Bauteilen, die im Nassbereich Verwendung finden, und eröffnet neue Einsatzgebiete für das Laserstrahlschweißen, insbesondere das Laser-Remote-Schweißen, z.B. an Karosseriebauteilen, die im Nassbereich eines Fahrzeugs angeordnet werden.
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Vorteilhafterweise können Durchschweißung auf wenige, kleine Bereiche reduziert werden oder vollständig entfallen, wodurch die Anlagen- und Werkstückbelastung durch Spritzer und Abbrand sinkt.
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Das Verfahren kann durch kurzzeitige Änderung der Schweißparameterwerte auf einfache Art und Weise in einen bestehenden Laserschweißprozess, insbesondere in einen Laser-Remote-Prozess integriert werden.
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Die Erzielung der Energieeintragsspitzen erfolgt durch die Verwendung von zumindest einem weiteren Schweißparametersatz. Die Schweißparameterwerte des weiteren Schweißparametersatzes sind zumindest teilweise gegenüber den Parameterwerten des ersten Schweißparametersatzes geändert. Beispielsweise kann der Wert eines einzelnen Schweißparameters, wie z.B. die Schweißleistung, die Schweißgeschwindigkeit oder die Fokuslage verändert werden oder es kann eine kombinierte Änderung mehrerer oder aller dieser Parameter vorgegeben werden, zur Erzeugung eines größeren Energieeintrags in dem gewünschten Bahnabschnitt. In einer Ausgestaltung wird jede Energieeintragsspitze durch die Verwendung eines einzigen weiteren Schweißparametersatzes ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltung werden zur Ausbildung jeder Energieeintragsspitze zwei oder mehrere weitere Schweißparametersätze verwendet, z.B. durch inkrementelle Änderung einzelner oder mehrerer Schweißparameterwerte.
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Vorzugsweise werden für mehrere Energieeintragsspitzen innerhalb einer Schweißung dieselben weiteren Schweißparameterwerte genutzt. Die Schweißparameterwerte des weiteren Schweißparametersatzes oder der weiteren Schweißparametersätze können in vorgegebenen Zeitintervallen und über vorgegebene Zeiträume der Schweißdauer verwendet werden, so ist es z.B. möglich, die optischen Merkmale in vorgegebenen Abständen und mit einer vorgegebenen Größe bzw. Länge auszubilden. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen zwei optischen Merkmalen, insbesondere zwischen zwei Durchschweißungen, größer als die durchschnittliche Länge der optischen Merkmale bzw. Durchschweißungen.
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Zur besseren Erkennbarkeit der optischen Merkmale und des Schweißnahtverlaufs auf der Werkstückanordnung werden in einer Ausgestaltung eine Vielzahl von Energieeintragsspitzen in regelmäßigen Abständen eingebracht, so dass eine Vielzahl von optischen Merkmalen ausgebildet werden, die gemeinsam eine gestrichelte oder gepunktete Linie bilden. So ist es beispielsweise möglich, den Schweißnahtverlauf auf der (dem Laserstrahl abgewandten) Unterseite der Werkstückanordnung abzubilden. Die Taktung der Energieeintragsspitzen kann je nach gewünschtem Abstand der optischen Merkmale variiert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Energieeintragsspitzen durch Leistungsspitzen bzw. Leistungspeaks der verwendeten Laserleistung realisiert. Hierzu wird zur Erzeugung jeder Energieeintragsspitze die Laserleistung von der zu Erzeugung der eingeschweißten Naht verwendeten Schweißleistung kurzzeitig auf einen vorgegebenen Spitzenwert angehoben, während die Schweißgeschwindigkeit und Fokuslage unverändert bleiben.
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Zur Reduzierung der Größe der erzeugten optischen Merkmale kann in einer Ausgestaltung jeder Energieeintragsspitze ein kurzzeitiges Energieeintragsminimum folgen. Hierdurch wird der Bereich mit hohem Energieeintrag räumlich begrenzt, so dass besonders kleine optische Merkmale erzeugt werden können. Realisiert wird das Energieeintragsminimum durch die Verwendung dritter, vorzugsweise vorgegebener, Schweißparameterwerte. Vorzugsweise werden dieselben Schweißparameter geändert, deren Werte auch zur Erzeugung der Energieeintragsspitzen geändert wurden. Beispielsweise wird die Laserleistung von dem Spitzenwert zunächst unter den eigentlichen Schweißwert kurzfristig auf einen Minimalwert reduziert, bevor wieder mit der ursprünglichen Schweißleistung geschweißt wird.
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Das Verfahren ist nicht auf bestimmte Nahtformen oder Bauteilstöße beschränkt. Vorzugsweise weist die Werkstückanordnung zwei Werkstücke auf, die mittels der Schweißnaht miteinander verbunden werden. Aufgrund der beschriebenen Wirkungen ist eine bevorzugte Verwendung für I-Nähte am Überlappstoß gegeben. Insbesondere kann in einer Ausgestaltung mit dem Verfahren eine I-Naht in einer überlappenden Werkstückanordnung ausgebildet werden, bei der das dem Laserstrahl zugewandte Werkstück eine größere Dicke aufweist als das dem Laserstrahl abgewandte Werkstück.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schweißnaht, die ein erstes Werkstück stoffschlüssig mit einem zweiten Werkstück als eingeschweißte Naht verbindet und mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet wurde. Insofern erzielt die Schweißnaht dieselben technischen Wirkungen und Vorteile, wie bereits für das Verfahren beschrieben. Die Schweißnaht weist in mehreren voneinander beabstandeten Schweißnahtabschnitten jeweils ein optisches Merkmal auf, das an der der Oberraupe abgewandten Oberfläche der Werkstückanordnung ausgebildet ist. Die optischen Merkmale ermöglichen auf einfache Art und Weise eine Sichtprüfung der Naht und Qualitätsbeurteilung der gesamten Naht ohne die Nachteile einer vollständig durchgeschweißten Naht.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur optischen Qualitätsprüfung einer Schweißnaht, wobei die Schweißnaht mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet wird. Die Bewertung der Qualität der Schweißnaht erfolgt anhand einer Sichtprüfung der optischen Merkmale und/oder Oberraupenabschnitten der Schweißnaht, die den optischen Merkmalen gegenüberliegen.
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Im Rahmen der Sichtprüfung können die optische Merkmale z.B. hinsichtlich ihrer Anzahl, Größe und Ausprägung ausgewertet werden. Alternativ oder ergänzend werden die Oberraupenabschnitte der Schweißnaht, die den optischen Merkmalen gegenüberliegen, zur Bewertung mit herangezogen. Es kann ein Vergleich mit Grenzmustern oder hinterlegten Datensätzen stattfinden. Bei Abweichung von den Vorgaben oder bei Überschreiten eines Grenzwertes kann die Schweißung z.B. als n.i.O (nicht in Ordnung) bewertet werden.
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Die Sichtprüfung kann z.B. als direkte oder indirekte Sichtkontrolle durch einen Menschen erfolgen. Ebenso kann eine Sichtprüfung in bekannter Art und Weise durch ein automatisches optisches Inspektionssystem erfolgen, bei dem das Bauteil photographisch erfasst und computergestützt mit hinterlegten Aufnahmen bzw. Datensätzen verglichen wird.
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Die voranstehend beschriebene Erfindung führt vorteilhafter Weise zu einer Kostenreduzierung und Qualitätsverbesserung bei der Herstellung der Schweißverbindung und zu einer Erhöhung des Einsatzspektrums des Laserschweißens speziell in der Automobilindustrie und sehr speziell beim Remote-Laserstrahl-Schweißen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
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1A eine Schnittansicht einer Werkstückanordnung mit einer beispielhaften Schweißnaht,
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1B eine Draufsicht auf die Unterseite der Bauteilanordnung mit optischen Merkmalen,
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2A einen beispielhaften Verlauf des Energieeintrags über die Schweißnahtlänge,
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2B einen beispielhaften Verlauf der Schweißleistung über die Zeit,
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3A einen weiteren beispielhaften Verlauf des Energieeintrags über die Schweißnahtlänge und
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3B einen weiteren beispielhaften Verlauf der Schweißleistung über die Zeit.
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1A zeigt eine Schnittansicht einer Werkstückanordnung 10 mit einem ersten Werkstück 20 und einem zweiten Werkstück 30 in Form von verzinken Stahlblechen, die im Überlappstoß angeordnet sind. Das als Oberblech angeordnete erste Werkstück 20 hat eine größere Dicke als das Unterblech 30. Es hat sich gezeigt, dass mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren insbesondere eine solche Werkstückanordnung 10 zuverlässig und mit guter Anbindung gefügt werden kann. Zum Ausbilden einer I-Naht 40 wurde ein Laserstrahl in Schweißrichtung X über die Werkstücke geführt.
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Die Naht 40 hat aufgrund der Prozessführung eine Haupteinschweißtiefe T. In mehreren Schweißnahtabschnitten, beispielhaft dargestellt anhand der vier Schweißnahtabschnitte 42, 44, 46 und 48 in 1A, wurde durch eine kurzzeitige Erhöhung des Energieeintrags, d.h. durch Energieeintragsspitzen, eine größere Einschweißtiefe bis hin zu einer Durchschweißung erreicht, die als optische Merkmale 50, 52, 54, und 56 auf der dem Laserstrahl abgewandten Oberfläche 32 (auch als Unterseite bezeichnet) der Werkstückanordnung 10 zu erkennen sind.
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Die optischen Merkmale 50, 52, 54, und 56 sind entlang der Naht 40 in gleichmäßigen Abständen ausgebildet und bilden den Verlauf der Naht 40 als gestrichelte Linie auf der Unterseite 32 der Werkstückanordnung 10 ab, s. 1B.
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Zur Erzeugung der optischen Merkmale wurden während der Ausbildung der Naht 40 periodisch wiederkehrende Energieeintragsspitzen 60 in die Werkstückanordnung 10 eingebracht.
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2A zeigt einen ersten beispielhaften Verlauf des Energieeintrags E durch den Laserstrahl über die Schweißnahtlänge. Zum Ausbilden der eingeschweißten Naht wird mit einem ersten Energieeintrag E1 gearbeitet. Der Energieeintrag E1 ist durch einen vorgegebenen ersten Schweißparametersatz mit ersten Schweißparameterwerten so gewählt, dass es zu einer Einschweißung in die Werkstückanordnung 10 ohne Durchschweißung kommt. In den Schweißnahtabschnitten 42, 44, 46 und 48 wird jeweils eine Energieeintragsspitze 60 verwendet, wodurch die optischen Merkmale 50, 52, 54 und 56 ausgebildet werden. In den Energieeintragsspitzen 60 wird der Energieeintrag kurzzeitig auf einen Spitzenwert EMAX erhöht.
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Die Erhöhung des Energieeintrags E erfolgt durch Änderung der Schweißparameterwerte, wie z.B. Änderung der Schweißgeschwindigkeit, Änderung der Laserleistung oder der Fokuslage, wobei die Werte einzelner oder mehrerer Schweißparameter geändert werden können. Die verwendeten Schweißparameterwerte werden in Abhängigkeit der Werkstückanordnung und Nahtform vorgegeben und können z.B. als Referenzwerte hinterlegt sein.
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Vorzugsweise wird zur Erzeugung der Energieeintragsspitzen 60 lediglich die Leistung des Laserstrahls geändert, während die restlichen Schweißparameterwerte unverändert bleiben. 2B zeigt einen beispielhaften Verlauf der Laserleistung P über der Zeit t. Die Energieeintragsspitzen werden erzeugt, indem die Laserleistung P in den Schweißnahtabschnitten 42, 44, 46 und 48 jeweils kurzzeitig auf einen Maximalwert PMax erhöht und wieder auf den ursprünglichen Wert P1 reduziert wird.
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Um die optischen Merkmale möglichst klein zu halten, kann in einer alternativen Ausgestaltung vorgesehen sein, unmittelbar nach jeder Energieeintragsspitze 60 ein kurzzeitiges Energieeintragsminimum 62 vorzusehen. 3A zeigt einen beispielhaften Verlauf des Energieeintrags über der Schweißnahtlänge. Vorzugsweise werden die Energieeintragsminima 62 durch Leistungsminima 72 umgesetzt, wie in 3B dargestellt. Hierzu kann die Laserleistung P unmittelbar nach der Leistungsspitze 70 mit dem Leistungsmaxima PMAX auf einen Wert P2 reduziert werden, bevor wieder die ursprüngliche Schweißleistung P1 verwendet wird.
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Die Dauer und die Taktung der Energieeintragsspitzen bzw. Leistungsspitzen und -minima kann je nach gewünschter Größe und Abstand der optischen Merkmale gewählt werden.
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Der Verlauf der Leistung P über der Zeit ähnelt durch die periodisch wiederkehrenden Leistungsspitzen und optionalen Leistungsminima einer Elektrokardiogrammkurve des Herzstroms.
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Der Verlauf des Energieeintrags bzw. der Laserleistung im Anfangs- und Endbereich der Schweißung ist in den Figuren als strichlierter Verlauf angedeutet, da er für die Beschreibung der Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist. Die Schweißnaht kann neben den optischen Merkmalen Anfangs- oder Endkrater aufweisen, die ggf. von der Unterseite der Bauteilanordnung sichtbar sind. Diese können als zusätzliche optische Merkmale in die nachfolgende Auswertung der Schweißnaht miteinbezogen werden.
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Durch die optischen Merkmale ist die Lage und der Verlauf der Naht auf der Rückseite der Werkstückanordnung optisch zu erkennen, ohne dass eine vollständige Durchschweißung erforderlich wäre.
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Weiterhin kann aus der Größe und Anzahl der optischen Merkmale auf die Qualität der Naht, insbesondere die Einschweißtiefe, rückgeschlossen werden. Durch die prozesstechnische Kopplung von ersten und weiteren Schweißparameterwerten ist anhand der optischen Merkmale auch eine Aussage über die mit den ersten Schweißparameterwerten erzielte Einschweißtiefe möglich. Die den optischen Merkmalen gegenüberliegenden Oberraupenabschnitte der Schweißnaht können in die Bewertung der Naht miteinbezogen werden.
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Die Bewertung der Naht kann auf bekannte Art und Weise durch eine Sichtkontrolle erfolgen, entweder durch einen Menschen oder durch ein automatisches optisches Inspektionssystem.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele eine I-Naht am Überlappstoß zeigt, eignet sich das Verfahren ebenso für andere Bauteilstöße, wie z.B. Stumpfstoß, oder Nahtformen, wie z.B. Kehlnähte. Die Schweißnaht kann in anderen als der gezeigten geraden Form, z.B. als gebogene Linie oder in Kreisform ausgebildet werden.
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Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkstückanordnung
- 20, 30
- Werkstück
- 32
- Werkstückoberfläche
- 40
- Schweißnaht
- 42, 44, 46, 48
- Schweißnahtabschnitte
- 50, 52, 54, 56
- optische Merkmale
- 60
- Energieeintragsspitzen
- 62
- Energieeintragsminima
- 70
- Leistungsspitzen
- 72
- Leistungsminima
- P, P1, PMAX, P2
- Leistung
- E
- Energieeintrag
- t
- Zeit
- T
- Haupteinschweißtiefe
- X
- Schweißrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007031206 B3 [0006]
