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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Laserschweißen bei der Herstellung von Metallblechkomponenten wie beispielsweise Automobilkomponenten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und ein System zur Ausbildung einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht entlang einer mit Laser geschweißten Verbindung (Schweißraupe), anschließend an das Laser-Zusammenschweißen von Metallplatten mit einer Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Automobile werden in Masse entlang von Fertigungslinien produziert, bei denen verschiedene Systeme und Komponenten, die ein Automobil ausmachen, durch Menschen und/oder robotergesteuerte Werkzeuge zusammengesetzt werden. Häufig werden unterschiedliche Metallblechstücke miteinander verbunden, um eine gewünschte Komponente zu bilden. Beispielsweise werden „maßgeschweißte Formteile” durch Verbinden, beispielsweise durch Laserschweißen, zweier oder mehrerer Stahlformteile unterschiedlicher Zusammensetzungen und/oder mit unterschiedlichen Dicken ausgebildet. Nachdem die geschweißten Formteile kalt gepresst wurden, werden Komponenten mit Eigenschaften der mechanischen Stärke, Druckfestigkeit und Stoßabsorption erhalten, die innerhalb der Komponenten selbst variieren.
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Um einen verbesserten Korrosionsschutz zu schaffen ist es üblich, solche Formteile mit Verwendung von beschichteten Metallblechmaterialien herzustellen, beispielsweise Borstähle mit einer Aluminium-Silizium- oder einer Zink-Vorbeschichtungs-Oberflächenschicht. Unglücklicherweise führt der Prozess des Laser-Zusammenschweißens der vorbeschichteten Metallblechplatten zu der Bildung einer Schweißverbindung, der der Korrosionsschutz fehlt. Mit der Zeit führt der Einfluss von Wasser, Streusalz etc. zu Korrosion entlang der Schweißverbindung und gleichzeitig zu einem Verlust der Intaktheit der Schweißung. Ein Verlust der Intaktheit der Schweißung kann zu einer Trennung der Metallblechplatten entlang der Schweißnaht führen, was zu einem Fehler der gesamten Komponente führt.
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Desweiteren verursacht bei warmumgeformten Komponenten, die aus einem Borstahl hergestellt werden, beispielsweise Usibor-Material, die Unterbrechung der AlSi-Schicht entlang der Schweißnaht eine Abschuppung entlang der Schweißnaht während eines folgenden Warmverformungsprozesses.
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Die bekannte Lösung für dieses Problem umfasst die Anwendung einer Grundierungsschicht, um die Schweißnaht abzudecken, und dann das Lackieren der Komponente, um eine physikalische Sperre gegen die Umgebung zu schaffen. Unglücklicherweise ist der Korrosionsschutz, der durch die Lackschicht geschaffen wird, schlechter als die originale Beschichtung, da die Verbindung der Lackschicht mit dem Grundmetall schwach ist. Desweiteren kann die Lackschicht mit der Zeit beschädigt werden, was ermöglicht, dass Wasser, Streusalz etc. in Kontakt mit der unterliegenden Schweißnaht kommt. Dies kann beispielsweise auftreten, falls die Farbe gekratzt wird oder abblättert oder falls die Farbe nicht angemessen an dem ersten Platz angewandt wurde und somit nicht an dem unterliegenden Material anhaftet. Nur Außenflächen vieler Komponente können lackiert werden, und als Ergebnis kann Korrosion entlang der nach innen gerichteten Flächen der Schweißverbindung auftreten.
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Es wäre somit vorteilhaft, einen Prozess und ein System zu schaffen, die mindestens einige der oben genannten Beschränkungen und Nachteile der bekannten Technik überwinden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt mindestens eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laser-Zusammenschweißen von Metablechplatten offenbart, wobei jede Metallblechplatte eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen der Metallblechplatten eine relativ zu der anderen und so, dass eine Kante einer der Platten angrenzend und in Kontakt mit einer Kante einer anderen der Platten ist, Verwenden eines Laserstrahls mit einer ersten Strahlfleckgröße zur Ausbildung einer Laser-Schweißverbindung entlang der benachbarten Kanten der Metallblechplatten, und anschließend an das Ausbilden der Laser-Schweißverbindung, Ausbilden einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht mindestens auf der Laser-Schweißverbindung mit:
Überstreichen entlang der Laser-Schweißverbindung mit einem Laserstrahl mit einer zweiten Strahlfleckgröße, wobei die zweite Strahlfleckgröße größer ist als die erste Strahlfleckgröße, und, während des Überstreichens, Vorsehen eines Stroms von pulverisiertem Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial zu einem Teil der Laser-Schweißverbindung, der durch den Laserstrahl bestrahlt wird, wobei das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial durch den Laserstrahl geschmolzen wird und eine Schicht bildet, die an der Laser-Schweißverbindung anhaftet.
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Gemäß einem Aspekt von zumindest einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum miteinander Verbinden von Metallteilen geschaffen mit: miteinander Verbinden eines ersten Metallteils und zweiten Metallteils in einem Verbindungsbereich, wobei mindestens eines des ersten Metallteils und des zweiten Metallteils eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung aufweist und wobei die Oberflächenschicht-Vorbeschichtung innerhalb des Verbindungsbereichs während des Verbindens unterbrochen wird, und Ausbilden einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht innerhalb eines Zielbereichs, der mindestens einer innerhalb des Verbindungsbereichs und angrenzend an den Verbindungsbereich ist, mit: Überstreichen eines Laserstrahls mit einer vorgegebenen Strahlfleckgröße durch den Zielbereich und, während des Überstreichens, Vorsehen eines Stroms von pulverisiertem Korrosionsschicht-Oberflächenschichtmaterial zu einem Teil des Zielbereich, der durch den Laserstrahl bestrahlt wird, wobei das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial durch den Laserstrahl geschmolzen wird und eine Schicht bildet, die an der Oberfläche innerhalb des Verbindungsbereichs anhaftet.
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Gemäß einem Aspekt von mindestens einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein mehrteiliges Seitenpaneel für ein Automobil offenbart mit: zwei Metallblechplatten, von denen jede eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung aufweist und die miteinander entlang einer Laser-Schweißverbindung verbunden sind, und einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die mindestens auf der Laser-Schweißverbindung ausgebildet ist, wobei die lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht eine Sperre zwischen der Laser-Schweißverbindung und der umgebenden Atmosphäre bildet.
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Gemäß einem Aspekt von mindestens einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Türring für ein Automobil offenbart mit: zwei Metallblechplatten mit jeweils einer Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung und die miteinander entlang einer Laser-Schweißverbindung verbunden sind, und einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die mindestens entlang der Laser-Schweißverbindung gebildet ist, wobei die lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht eine Sperre zwischen der Laser-Schweißverbindung und der umgebenden Atmosphäre bildet.
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Gemäß einem Aspekt von mindestens einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein mehrteiliges Teil für ein Automobil offenbart mit zwei Metallblechplatten, die jeweils eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung aufweisen und miteinander entlang einer Laser-Schweißverbindung verbunden sind, und einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die mindestens auf der Laser-Schweißverbindung ausgebildet ist, wobei die lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht eine Sperre zwischen der Laser-Schweißverbindung und der umgebenden Atmosphäre bildet. Beispielsweise ist das mehrteilige Teil eine mehrteilige Körperseite für ein Automobil oder ein mehrteiliges Seitenpaneel für ein Automobil.
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Gemäß einem Aspekt von mindestens einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Laser-Zusammenschweißen von vorbeschichteten Metallblechplatten offenbart, mit: einem Träger zum Halten einer ersten vorbeschichteten Metallblechplatte in einer vorgegebenen Orientierung relativ zu einer zweiten vorbeschichteten Metallblechplatte, sodass eine Kante der ersten Platte und eine Kante der zweiten Platte aneinander angrenzend angeordnet sind und eine Grenzfläche dazwischen definieren, einer Laseroptikanordnung in optischer Kommunikation mit einer Laserquelle und die in einem ersten Modus zum Überstreichen eines Laserstrahls mit einer ersten Strahlfleckgröße entlang der Grenzfläche betreibbar ist und in einem zweiten Modus zum Überstreichen eines Laserstrahls mit einer zweiten Strahlfleckgröße, die größer ist als die erste Strahlfleckgröße, entlang der Grenzfläche, und einer Pulver-Zufuhrleitung in Kommunikation mit einer Quelle eines pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials und mit einem Auslassende, das zum Richten eines Stroms des pulverisiertem Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials zu der Grenzfläche angeordnet ist, und mindestens einem Betätigungsglied für eine relative Bewegung der Laseroptikanordnung und des Auslassendes der Pulver-Zufuhrleitung relativ zu dem Träger, wobei der Laserstrahl, der die erste Strahlfleckgröße aufweist, entlang der Grenzfläche in einem ersten Durchgang geführt wird, um eine Laser-Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Platte zu bilden, und wobei der Laserstrahl, der die zweite Strahlfleckgröße aufweist, entlang der Laser-Schweißverbindung geführt wird und gleichzeitig das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial über die Pulver-Zufuhrleitung zu einem momentan bestrahlten Bereich der Laser-Schweißverbindung gefördert wird, um eine lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht mindestens auf der Laser-Schweißverbindung zu bilden.
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Gemäß einem Aspekt von mindestens einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laserschweißen eines Metallblech-Werkstücks geschaffen, wobei das Metallblech-Werkstück eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung aufweist, die mindestens auf seiner Hauptfläche ausgebildet ist und mit einer ersten Seitenkante und einer zweiten Seitenkante, die der ersten Seitenkante gegenüberliegt, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen des Metallblech-Werkstücks so, dass die ersten Seitenkante angrenzend und in Kontakt mit der zweiten Seitenkante ist, und so, dass die mindestens eine Hauptfläche nach außen gerichtet ist, Verwenden eines Laserstrahls mit einer ersten Strahlfleckgröße, Bilden einer Laser-Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Seitenkante des Metallblech-Werkstücks und, anschließend an das Ausbilden der Laser-Schweißverbindung, Ausbilden einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht mindestens auf der Laser-Schweißverbindung mit: Führen eines Laserstrahls mit einer zweiten Strahlfleckgröße entlang der Laser-Schweißverbindung, wobei die zweite Strahlfleckgröße größer ist als die erste Strahlfleckgröße und, während des Führens, Vorsehen eines Stroms eines pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials zu einem Bereich der Laser-Schweißverbindung, der durch den Laserstrahl bestrahlt wird, wobei das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial zunächst durch den Laserstrahl geschmolzen wird und sich anschließend verfestigt, um eine Schicht zu bilden, die an der Laser-Schweißverbindung anhaftet.
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Gemäß einem Aspekt von mindestens einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung eines Rohrelementes geschaffen mit: miteinander Verbinden von ersten und zweiten gegenüberliegenden Seitenkanten eines metallischen Werkstücks in einem Verbindungsbereich, wobei das metallische Werkstück eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung aufweist, die auf mindestens einer Hauptfläche ausgebildet ist, und wobei die Oberflächenschicht-Vorbeschichtung innerhalb des Verbindungsbereichs während des Verbindens unterbrochen wird, und Ausbilden einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht innerhalb eines Zielbereichs, der mindestens einer innerhalb des Verbindungsbereichs und angrenzend an den Verbindungsbereich ist, mit: Führen eines Laserstrahls mit einer vorgegebenen Strahlfleckgröße durch den Zielbereich und, während des Führen, Vorsehen eines Stroms eines pulverisiertem Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials zu einem Teil des Zielbereichs, der durch den Laserstrahl bestrahlt wird, wobei das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial durch den Laserstrahl geschmolzen wird und eine Schicht bildet, die innerhalb des Verbindungsbereichs an Oberflächen anhaftet.
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Gemäß einem Aspekt von mindestens einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine rohrförmige Komponente geschaffen mit: einem Metallblech-Werkstück mit einer Korrosionsschutz-Oberflächenschicht-Vorbeschichtung, die mindestens auf einer Hauptfläche ausgebildet ist, und mit einer ersten Seitenkante und einer zweiten Seitenkante, die der ersten Seitenkante gegenüberliegt, wobei das Metallblech-Werkstück in eine Rohrform geformt ist und die erste und die zweite Seitenkante miteinander entlang einer Laser-Schweißverbindung verbunden sind, und einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die mindestens auf der Laser-Schweißverbindung ausgebildet ist, wobei die lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht eine Sperre zwischen der Laser-Schweißverbindung und der umgebenden Atmosphäre bildet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun lediglich beispielsweise und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Bezugsziffern durchweg ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen. Es soll festgestellt werden, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind. In einigen Fällen sind Details weggelassen worden, die für ein Verständnis der Offenbarung nicht notwendig sind oder es schwierig machen, andere Details zu erkennen.
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1 ist ein vereinfachtes Perspektivdiagramm, das ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, anschließend an das Laser-Zusammenschweißen von zwei vorbeschichteten Metallblechplatten und während der Ausbildung einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht entlang der Laser-Schweißverbindung.
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2A zeigt eine lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die an einer ersten Seite einer Laser-Schweißverbindung ausgebildet ist.
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2B ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils der 2A.
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3A zeigt eine lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die an einer zweiten Seite der Laser-Schweißverbindung ausgebildet ist, die der in 2A dargestellten ersten Seite gegenüberliegt.
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3B ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils der 3A.
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4 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A in 1 und zeigt eine lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht auf einer Laser-Schweißverbindung.
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5 ist eine vereinfachte Enddarstellung, die ein rohrfömiges Werkstück zeigt, das mit einem Laser-Schweißsystem geformt wird.
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6 ist eine vereinfachte Enddarstellung, die ein offenes rohrfömiges Werkstück vor dem Laserschweißen zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung erfolgt, um Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und zu verwenden, und wird im Kontext einer bestimmten Anwendung und ihrer Erfordernisse gegeben. Verschiedene Modifikationen an den offenbarten Ausführungsbeispielen werden Fachleuten einfach ersichtlich, und die hier definierten allgemeinen Prinzipien können bei anderen Ausführungsbeispielen und Anwendungen ohne Abweichung vom Umfang der Erfindung angewendet werden. Somit ist die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkend beabsichtigt, sondern ist in dem breitesten Umfang, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen vereinbar ist, anzusehen.
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In der folgenden Diskussion und in den beigefügten Ansprüchen bezeichnet der Term „Hauptfläche” eine der dimensionsmäßig größeren Flächen einer Metallblechplatte oder eines Werkstücks, die sich in zwei Dimensionen zwischen den dimensionsmäßig kleineren „Seitenkanten” der Platte erstreckt. Beispielsweise zeigen die Pfeile, die sich von den Bezugszeichen 8 und 9 in 1 erstrecken, direkt auf eine der Hauptflächen jeder der Metallblechplatten. Andererseits zeigen die Bezugslinien, die sich von den Bezugszeichen 1 und 2 erstrecken, auf eine der Seitenkanten jeder der Metallblechplatten. Die Bezeichnungen „Seitenkanten” und „Kanten” werden austauschbar verwendet. Es ist offensichtlich, dass eine rechteckige Metallblechplatte oder ein Werkstück vier Seitenkanten und nur zwei Hauptflächen aufweist.
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In der folgenden Diskussion und in den beigefügten Ansprüchen wird der Term „geschlossen” mit Bezug auf ein Werkstück verwendet, nachdem gegenüberliegende Seitenkanten davon miteinander beispielsweise durch Laserschweißen verbunden wurden. Der Term „offen” wird mit Bezug auf ein Werkstück verwendet, bevor die gegenüberliegenden Seitenkanten davon miteinander beispielsweise durch Laserschweißen verbunden sind. Zum besseren Verständnis, ein rechteckiges Metallblech-Werkstück kann in eine allgemein rohrförmige Form gerollt werden, sodass seine gegenüberliegenden Seitenkanten zueinander ausgerichtet sind und aneinanderstoßen, wie dies beispielsweise 6 dargestellt ist. Dies wird als ein offenes Rohr bezeichnet, weil eine Unterbrechung um den Umfang der rohrförmigen Form vorhanden ist, was es ermöglicht, dass gegenüberliegenden Seitenkanten eine relativ zu der anderen beweglich ist. Nachdem eine Laser-Schweißverbindung (oder eine andere ähnliche Verbindung) zwischen den gegenüberliegenden Seitenkanten gebildet wurde, ist die rohrförmige Form als geschlossen anzusehen. Wie es beispielsweise in 5 dargestellt ist, gibt es keine Unterbrechung mehr entlang des Umfangs des geschlossenen Rohrs, wobei aber die Materialzusammensetzung um den Umfang nicht gleichförmig ist. Selbstverständlich bewegen sich bei dem geschlossenen Rohr die gegenüberliegenden Seitenkanten nicht relativ zueinander.
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Nunmehr bezugnehmend auf 1 ist ein vereinfachtes Perspektivdiagramm eines Systems 100 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Insbesondere ist das System 100 zu einer Zeit dargestellt, die anschließend an das Laser-Zusammenschweißen zweier vorbeschichteter Metallblechplatten 8 und 9 ist und die während der Ausbildung einer lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7 entlang der Laser-Schweißverbindung 6 ist. Die Platte 8 umfasst ein Substrat 1, das eine Vorbeschichtungsschicht 3 aufweist, die an seinen beiden Seiten angeordnet ist. In ähnlicher Weise umfasst die Platte 9 ein Substrat 2, das eine Vorbeschichtungsschicht 3 aufweist, die an seinen beiden Seiten angeordnet ist. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist das Substrat 2 relativ dicker als das Substrat 1, aber optional haben die Substrate die gleiche Dicke. Als spezifisches und nicht beschränkendes Beispiel sind die Substrate 1 und 2 aus Borstählen gefertigt und können verschieden sein, das heißt mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und/oder unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen. Die Vorbeschichtungsschichten 3 werden in einer bekannten Weise hergestellt, beispielsweise durch Tauchbeschichten der Substrate 1 und 2 in einem Bad aus geschmolzenem Zink oder geschmolzener Aluminiumlegierung. Es ist festzustellen, dass aus Gründen der Einfachheit die Vorbeschichtungsschichten 3 in 1 als eine einzelne Schicht dargestellt sind. In der Praxis umfassen jedoch die Vorbeschichtungsschichten 3 eine intermetallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit dem Stahlsubstrat 1 oder 2 ist, und eine metallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit der intermetallischen Legierungsschicht ist. Typischerweise hat das Material der Vorbeschichtungsschichten 3 eine Schmelztemperatur, die deutlich geringer ist als die Schmelztemperatur des unterliegenden Stahlsubstrats 8 oder 9. Beispielsweise hat eine Aluminium-Silizium(AlSi)-Legierungsbeschichtung eine Schmelztemperatur von unterhalb 600°C, verglichen mit etwa 1500°C für das Stahlsubstrat.
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Das System 100 umfasst eine Laseroptikanordnung 4, die Laserlicht von einer Laserquelle über eine Faser erhält (zusammen als Laserquelle 10 bezeichnet). Die Laseroptikanordnung 4 ist ein in einem ersten Modus zum Führen eines Laserstrahls mit einer ersten Strahlfleckgröße entlang der Grenzfläche zwischen aneinandergrenzenden Kanten der Platten 8 und 9 betreibbar und auch in einem zweiten Modus zum Führen eines Laserstrahls mit einer zweiten Strahlfleckgröße entlang der resultierenden Schweißverbindung, die an der Grenzfläche gebildet ist, wobei die zweite Strahlfleckgröße größer als die erste Strahlfleckgröße ist. Beispielsweise umfasst die Laseroptikanordnung 4 mindestens eine Linse, und die Faser der Laserquelle 10 ist entweder eine Einzelkernfaser oder ein Mehrfachkernfaserbündel.
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Das System 100 umfasst auch eine Leitung 5, die in Verbindung mit einer nicht dargestellten Quelle eines pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials steht und ein Auslassende aufweist, das zum Richten eines Stroms 11 eines pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials zu der Laser-Schweißverbindung 6 angeordnet ist. Optional umfasst die Leitung 5 eine nicht dargestellte Düse an ihrem Auslassende zur Steuerung der Abgabe des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials. Ein nicht dargestellter Träger ist zum Halten der Platte 8 relativ zu der Platte 9 zum Zusammenschweißen entlang ihrer aneinandergrenzenden Kanten vorgesehen. Das System 100 umfasst ferner mindestens ein nicht dargestelltes Betätigungsglied zum relativen Bewegen der Laseroptikanordnung 4 relativ zu dem Träger. Optional unterstützt das mindestens eine Betätigungsglied eine Translationsbewegung des Trägers und/oder der Laseroptikanordnung 4 und/oder der Leitung 5. Alternativ unterstützt das mindestens eine Betätigungsglied eine Drehbewegung von mindestens einem Teil der Laseroptikanordnung 4, beispielsweise eines nicht dargestellten Spiegelelements.
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Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in zwei Schritten durchgeführt, einschließlich eines Laser-Schweißschritts zur Verbindung der Platten 8 und 9 miteinander und eines Schutzschicht-Formungsschritts zur Ausbildung einer Korrosionsschutzschicht auf mindestens der Schweißverbindung zwischen den Platten 8 und 9. Der Laser-Schweißschritt umfasst die Verwendung der Laseroptikanordnung 4 zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer ersten Strahlfleckgröße. Die erste Strahlfleckgröße wird so gewählt, dass der Laserstrahl eine Aufheizung entlang der benachbarten Kanten der Platten 8 und 9 bewirkt, die ausreichend ist, um das Material der Substrate 1 und 2 zu schmelzen, wodurch ein Schmelzbad gebildet wird. Wenn der Laserstrahl entlang der Grenzfläche zwischen den Platten 8 und 9 geführt wird, wird eine kontinuierliche Schweißverbindung 6 gebildet. Wie für Fachleute ersichtlich ist, fehlt der Schweißverbindung 6 eine schützende Korrosionsschutzschicht. Desweiteren unterbricht der Schritt des Laserschweißens die Vorbeschichtungsschicht 3 angrenzend an die Laser-Schweißverbindung 6, wodurch das unterliegenden Substrat 1, 2 freigelegt wird. Die Laser-Schweißverbindung 6 und die Bereiche des freiliegenden Substrats 1, 2 sind unter normalen Betriebsbedingungen eines Automobils anfällig für Korrosion und können zukünftig der Ort eines Komponentenfehlers sein
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Der Schritt des Ausbildens der Schutzschicht wird anschließend durchgeführt, um die Korrosionsbeständigkeit entlang der Laser-Schweißverbindung 6 und innerhalb der Bereiche der freiliegenden Substrate 1, 2 zu verbessern. Der Schritt des Ausbildens der Schutzschicht umfasst die Anwendung der Laseroptikanordnung 4 zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer zweiten Strahlfleckgröße, wobei die zweite Strahlfleckgröße größer als die erste Strahlfleckgröße ist. Wenn der Laser in der Richtung, die durch den Pfeil 12 angegeben ist, geführt wird, wird eine Strömung 11 des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials auf die Laser-Schweißverbindung 6 gerichtet, und zwar in einer Position, die momentan durch den Laserstrahl bestrahlt wird. Die zweite Strahlfleckgröße ist so ausgewählt, dass der Laserstrahl eine Erwärmung bewirkt, die ausreichend ist, um das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial zu schmelzen, aber nicht das Material der Substrate 1 und 2 oder das Material der Schweißverbindung 6. Wenn beispielsweise das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial pulverisiertes Zink ist, erreicht das Aufheizen eine Temperatur von etwa 400°C, und wenn das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial pulverisiertes des AlSi ist, erzielt das Aufheizen eine Temperatur von etwa 600°C. Nachdem der Laserstrahl passiert hat, konsolidiert und verfestigt sich das abgeschiedene geschmolzene Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial und bildet die Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7.
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Verschiedene Arten von Abtastung oder Führung des Laserstrahls und der Zuführung des Stroms des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials können in Betracht gezogen werden, einschließlich des Neigens des Laserstrahls zur Erzeugung eines länglichen Strahlflecks zur Optimierung des Schmelzens des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials. In einem Einsatz sind die Laseroptikanordnung 4 und die Leitung 5 stationär, und die Platten 8 und 9 bewegen sich mit dem Träger in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, die durch den schwarzen Pfeil 12 angegeben ist. In einem anderen Einsatz ist der Träger stationär, und die Laseroptikanordnung 4 und die Leitung 5 werden in einer Richtung bewegt, die durch den schwarzen Pfeil 12 angegeben ist. Optional untergeht die Laseroptikanordnung 4 keiner Translationsbewegung, sondern ein Spiegel oder ein anderes Strahlrichtungselement wird verwendet, um den Laserstrahlfleck in der Richtung zu führen, die durch den schwarzen Pfeil 12 angegeben ist, und das Auslassende der Leitung 5 folgt der Position des Strahlflecks. Alternativ wird der Träger verwendet, um die Platten 8 und 9 in einer Richtung zu bewegen, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, die durch den Pfeil 12 angegeben wird, während die Laseroptikanordnung 4 und die Leitung in der Richtung bewegt werden, die durch den Pfeil 12 angegeben ist.
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Es ist festzustellen, dass der oben beschriebene Prozess eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht entlang einer Seite der Schweißverbindung 6 schafft. Da der Laser-Schweißprozess in der Bildung einer Schweißraupe an beiden Seiten der Platten 8 und 9 resultiert, ist es wünschenswert, eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht auch entlang der gegenüberliegenden Seite der Schweißverbindung 6 zu schaffen. Als solcher sollte der Schritt des Ausbildens der Schutzschicht wiederholt werden, um die Korrosionsschutz-Oberflächenschicht entlang der gegenüberliegenden Seite der Schweißverbindung 6 zu schaffen. Entweder werden die Laseroptikanordnung 4 und die Leitung 5 entlang der gegenüberliegenden Seite der Schweißverbindung 6 neu positioniert, oder die zusammengeschweißte Platten 8 und 9 werden „umgedreht”, sodass die gegenüberliegende Seite der Schweißverbindung 6 zu der Laseroptikanordnung 4 und der Leitung 5 gerichtet ist.
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Der zweistufige Prozess, der oben beschrieben wurde, kann in einer einzelnen Arbeitsstationen ausgeführt werden, und dieselbe Laseroptikanordnung 4 und die Laserquelle 10 können gesteuert werden, um sowohl den Laser-Schweißschritt als auch den Schutzschicht-Ausbildungsschritt durchzuführen. Vorteilhafter Weise können beide Schritte an derselben Arbeitsstation durchgeführt werden, was zu einer Verminderung von Arbeitskosten und einer besseren Nutzung der Bodenfläche führt. Die Verschweißungen, die mit dem oben beschriebenen zweistufigen Prozess erzeugt werden, haben eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, und es ist möglich, die Eigenschaften der Laserverschweißung zu ändern oder maßzuschneidern, um besser an die Materialien angepasst zu sein, die zu verbinden sind. Selbstverständlich erfordert der Einsatz des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials angemessene Sicherheitsausstattung und zusätzliche Reinigung, da nicht verwendetes Pulver sich an den Werkstücken und in der unmittelbaren Arbeitsumgebung abscheiden kann.
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Der oben beschriebene zweistufige Prozess kann in Kombination mit anderen Laser-Schweißverfahren verwendet werden, die vorher beschrieben wurden. Wenn beispielsweise mit AlSi beschichtete Platten verwendet werden, kann der Laser-Schweißschritt mit Zusatz eines Legierungselements (beispielsweise Titan oder Nickel) durchgeführt werden, um eine Verbindung in dem Schmelzbad mit mindestens etwas von dem Aluminium herzustellen, das in das Schmelzbad aus der Aldi-Schicht gelangt. Der Zusatz von Legierungselementen ist in der provisorischen US-Patentanmeldung 62/051573 beschrieben, die am 17. September 2014 eingereicht wurde und den Titel „Verfahren des Laserschweißens von beschichteten Stahlblechen unter Zusatz von Legierungselementen” trägt, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme eingebracht wird. Optional oder alternativ kann vor der Durchführung des Laser-Schweißschritts die vorbeschichtete Schicht 3 von dem Ziel-Schweißbereich zwischen den Platten 8 und 9 entfernt werden, und zwar in einem Verfahren, das in der provisorischen US-Patentanmeldung 62/047915 beschrieben ist, die am 19. Juni 2014 eingereicht wurde und den Titel „Verfahren und System zur Ausbildung von stumpf verschweißten Rohlingen” trägt, deren gesamte Inhalte hier durch Bezugnahme eingebracht werden.
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Die 2A zeigt eine lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die an einer ersten Seite einer Laser-Schweißverbindung gebildet ist, und die 2B zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils der 2A. Da die zweite Laser-Strahlfleckgröße größer ist als die erste Laser-Strahlfleckgröße, bildet das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial eine Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7 an der Schweißverbindung (nicht in den 2A und 2B dargestellt) und überlappend mit der vorbeschichteten Schicht 3 auf den Platten 8 und 9. Als solche schafft die Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7 einen Korrosionsschutz nicht nur entlang der Schweißverbindung sondern auch innerhalb von Bereichen, die an die Schweißverbindung angrenzen, in denen das vorbeschichtete Material 3 unterbrochen wurde. Da die Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7 anschließend an das Laserschweißen ausgebildet wird, deckt die Schicht 7 Bereiche angrenzend an die Schweißverbindung ab, in denen das vorbeschichtete Material entweder als eine direkte Folge des Laser-Schweißschritts oder als Ergebnis eines Vor-Laserschweißung-Vorbereitungsschritts, der vor dem Laserschweißen durchgeführt wurde, wie es in der provisorischen US-Patentanmeldung 62/047915, die oben diskutiert wurde, beschrieben ist, unterbrochen wurde.
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Die 3A zeigt eine lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht, die an einer zweiten Seite einer Laser-Schweißverbindung ausgebildet ist, die der in 2A dargestellten ersten Seite gegenüberliegt, und die 3B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der 3A. Die in den 3A und 3B dargestellte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7' ist im Wesentlichen identisch zu der in den 2A und 2B dargestellten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7.
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4 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A der 1 und zeigt eine lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7 auf einer Laser-Schweißverbindung 6. Wie in der 4 dargestellt ist, ist die Dicke der Schicht 7 größer als die Dicke der ursprünglichen Vorbeschichtungsschicht 3 auf jeder der Platten 8 und 9. Beispielsweise beträgt die Dicke der Schicht 7 bis zu etwa 0,1 mm während die Dicke der ursprünglichen Vorbeschichtungsschicht 3 etwa 20 μm beträgt. Die Dicke der Schicht 7 kann gesteuert variiert werden, um beispielsweise bestimmte Anforderungen für unterschiedliche Anwendungen zu erfüllen. In wenigen spezifischen und nicht beschränkenden Beispielen kann die Dicke der Schicht 7 durch Variation von einem oder beiden der Rate der Pulverabscheidung (d. h. die Strömungsrate, mit der das pulverisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial über die Leitung 5 zugeführt wird) und der Partikelgröße des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschutzmaterials variiert werden. Die lokalisierte Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7 kann nach ihrer anfänglichen Ausbildung modifiziert werden. Beispielsweise führt ein anschließendes Heizen der zusammengeschweißten Platten 8 und 9, entweder als Teil eines separaten Formungsvorgangs oder als eine Erweiterung des oben beschriebenen Ausbildungsschritts für die Schutzschicht, auf eine Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials aber unterhalb der Schmelztemperatur der Substrate 1 und 2 liegt, zu einem Schmelzen und einer Umverteilung des Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials. In dieser Weise kann die Dicke der Schicht 7 gleichförmige gestaltet werden. Desweiteren kann geschmolzenes Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial in ungeschützte Bereiche fließen und dadurch eine vollständigere Korrosionsschutzschicht bilden.
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Selbstverständlich kann der Prozess, der in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben wurde, zur Verwendung mit anderen Verbindungstechniken als Laserschweißen modifiziert werden. Beispielsweise ist Vernieten ein mechanischer Befestigungsprozess zum miteinander Verbinden von Metallblechplatten, der in einer Beschädigung der Schutzschichten der Metallblechplatten führt. Der oben beschriebene Prozess kann angepasst werden, um die Metallblechplatten durch Vernieten in einem ersten Schritt zu verbinden, gefolgt von der Durchführung des Ausbildungsschritts der Schutzschicht. In diesem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Laseroptikanordnung 4 nur während des Ausbildungsschritts der Schutzschicht verwendet. Beispielsweise führt die Laseroptikanordnung 4 einen Laserstrahl über einen Zielbereich, der mit einer Korrosionsschutz-Oberflächenschicht zu schützen ist, während eine Strömung des Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials über die Leitung 5 zugeführt wird. Die Fleckgröße des Laserstrahls wird ausgewählt, um das Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial zu schmelzen, aber nicht das Material der Niete oder der Substrate 1 und 2.
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In ähnlicher Weise kann der oben beschriebene Prozess für das Gießen eines Stücks um ein anderes Stück mit einer Korrosionsschutz-Oberflächenschicht angepasst werden. Der Gießvorgang kann die Korrosionsschutzschicht auf dem anderen Stück beschädigen, wodurch die Komponente für Korrosion anfällig wird. Als solcher kann der Ausbildungsschritt der Schutzschicht wie oben beschrieben anschließend an das Gießen durchgeführt werden. Wieder wird die Laseroptikanordnung 4 nur während des Ausbildungsschritts der Schutzschicht verwendet. Beispielsweise führt die Laseroptikanordnung 4 einen Laserstrahl über einen Zielbereich, der mit einer Korrosionsschutz-Oberflächenschicht zu schützen ist, während eine Strömung des Korrosionsschicht-Oberflächenschichtmaterials über die Leitung 5 zugeführt wird. Die Fleckgröße des Laserstrahls wird ausgewählt, um das Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterial zu schmelzen, aber nicht das Material des Gussstücks oder des Substrats des anderen Stücks.
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Es ist ferner zu verstehen, dass in der 1 die Platten 8 und 9 in einer Anordnung zur Bildung einer stumpfen Schweißverbindung dargestellt sind. Optional werden die Platten 8 und 9 eine relativ zu der anderen zur Ausbildung einer unterschiedlichen Art von Schweißverbindung angeordnet, beispielsweise in einer überlappenden Schweißverbindung.
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Eine andere Umsetzung wird nun mit Bezug auf die 5 und 6 diskutiert. Statt der Ausbildung einer stumpfen Schweißverbindung zwischen zwei separaten Platten 8 und 9 wird ein Rohr 50 durch Ausbildung einer Schweißverbindung 52 zwischen gegenüberliegenden Seitenkanten einer einzelnen Platte 54 hergestellt. In dem Beispiel, das in den 5 und 6 dargestellt ist, hat die einzelne Platte 54 eine Korrosionsschutz-Vorbeschichtungsschicht 56, die an ihren beiden gegenüberliegenden Hauptflächen angeordnet ist; die Vorbeschichtungsschichten auf den unterschiedlichen gegenüberliegenden Hauptflächen können entweder dieselbe oder eine unterschiedliche Zusammensetzung haben und/oder entweder dieselbe oder unterschiedliche Dicken und/oder entweder dieselben oder unterschiedliche Anzahlen von Schichten etc. haben. Es ist festzustellen, dass die vorliegende Umsetzung allgemein gleich der Anwendung ist, die oben mit Bezug auf die 1 erläutert wurde, mit der Ausnahme, dass der zweistufige Prozess nicht mit der Anordnung zweier separater Metallblechplatten eine relativ zu der anderen beginnt, sodass eine Kante von einer der Platten angrenzend und in Kontakt mit einer Kante der anderen der Platten steht. Demgegenüber wird die einzelne Platte 54 in eine beispielsweise offene Rohrstruktur 58 geformt, wie es in 6 dargestellt ist, sodass ihre gegenüberliegenden Seitenkanten 60 und 62 aneinanderstoßen. Die gegenüberliegenden Seitenkanten 60 und 62 werden anschließend zur Bildung eines geschlossenen Rohrs 50 miteinander verbunden. Das geschlossene Rohr 50, das in 5 dargestellt ist, ist im Querschnitt kreisförmig, aber es ist zu verstehen, dass andere Formen möglich sind. Beispielsweise können Rohre mit einem quadratischen, rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt durch Formen der Platte 54 in einer geeigneten Weise vor der Durchführung des zweistufigen Schweiß-/Schutzvorgangs erhalten werden. Solche gefertigten Produkte können auch als Hohlkastenelemente bezeichnet werden.
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Noch bezugnehmend auf 5 ist auch eine Laseroptikanordnung 4 dargestellt, die Laserlicht von einer Laserquelle über eine Faser erhält (im folgenden zusammen als eine Laserquelle 10 bezeichnet). Die Laseroptikanordnung 4 ist in einem ersten Modus zum Führen eines Laserstrahls mit einer ersten Strahlfleckgröße entlang einer Grenzschicht zwischen den gegenüberliegenden Seitenkanten 60 und 62 der Platte 54 betreibbar und auch in einem zweiten Modus zum Führen eines Laserstrahls mit einer zweiten Strahlfleckgröße entlang der resultierenden Schweißverbindung, die an der Grenzfläche ausgebildet ist, wobei die zweite Strahlfleckgröße größer als die erste Strahlfleckgröße ist. Als Beispiel umfasst die Laseroptikanordnung 4 mindestens eine Linse, und die Faser der Laserquelle 10 ist entweder eine Einkernfaser oder ein Mehrkern-Faserbündel.
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Auch in 5 ist eine Leitung 5 dargestellt, die in Kommunikation mit einer nicht dargestellten Quelle pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials steht und ein Auslassende aufweist, das zum Richten eines Stroms 11 des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials zu der Laser-Schweißverbindung 52 angeordnet ist. Optional umfasst die Leitung 5 eine nicht dargestellte Düse an ihrem Auslassende zur Steuerung der Zufuhr des pulverisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschichtmaterials. Ein nicht dargestellt Träger ist zum Halten der gegenüberliegenden Seitenkanten 60 und 62 der Platte 54 in einem ausgerichteten Zustand vorgesehen. Desweiteren ist mindestens ein nicht dargestelltes Betätigungsglied zur relativen Bewegung der Laseroptikanordnung 4 relativ zu dem Träger vorgesehen. Optional unterstützt das mindestens eine Betätigungsglied eine Translationsbewegung des Trägers und/oder der Laseroptikanordnung 4 und/oder der Leitung 5. Alternativ unterstützt das mindestens eine Betätigungsglied eine Drehbewegung mindestens eines Teils der Laseroptikanordnung 4, beispielsweise eines nicht dargestellten Spiegelelements.
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Die Schweißverbindung 52 und eine zugeordnete lokalisierte Korrosionsschutzschicht (die ähnlich der lokalisierten Korrosionsschutz-Oberflächenschicht 7 oder 7' ist) werden in dem gleichen zweistufigen Prozess ausgebildet, der oben mit Bezug auf die 1 erläutert wurde. Desweiteren kann der Prozess zur Ausbildung der Schweißverbindung 52 und der zugeordneten lokalisierten Korrosionsschutzschicht in einer einzelnen Arbeitsstation durchgeführt werden und optional in Kombination mit anderen Laser-Schweißtechniken, einschließlich aber nicht beschränkt auf den Zusatz eines Legierungsmaterials. Wenn der Innenraum der offenen Rohrstruktur 58 und die Größe der Laseroptikanordnung 4 und der Leitung 5 es erlauben, kann eine lokalisierte Korrosionsschutzschicht auch entlang der Innenfläche der Schweißverbindung 52 ausgebildet werden.
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Während die obige Beschreibung eine Anzahl von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bildet, ist festzustellen, dass die vorliegende Erfindung für weitere Änderungen und Modifikationen ohne eine Abweichung von der klaren Bedeutung der beigefügten Ansprüche geeignet ist.
