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Die Erfindung betrifft eine Fügeeinrichtung zum laserstrahlbasierten Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile sowie ein Fügeverfahren zum mittels Laserstrahlung Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile.
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Das laserstrahlbasierte Zusammenfügen, wie insbesondere das Laserstrahllöten und das Laserstrahlschweißen, von Bauteilen wird z.B. im Fahrzeugkarosseriebau bevorzugt zur Herstellung von Fügeverbindungen im Sichtbereich verwendet. Dabei kann zur Realisierung des Stoffschlusses der Bauteile ein drahtförmiger Zusatzwerkstoff Anwendung finden.
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Beispielsweise kann es beim Laserstrahlschweißen von z.B. verzinktem Stahlblech oder Aluminium mit ggf. Zusatzwerkstoff zu einer ungleichmäßigen und/oder unvollständigen Benetzung der Fügepartner kommen und können Poren und Löcher in der Schweißnaht entstehen, was zu einer ungleichmäßigen Anbindung der Fügepartner und zu einer optisch unzureichenden äußeren Anmutung der Schweißnaht führt. Beim Laserstrahllöten treten ähnliche Probleme auf. Praxisrelevant sind dabei insbesondere die Bildung von Spritzern, eine ungleichmäßige Anbindung der Fügepartner, die Entstehung von Poren und die Welligkeit der Fügenahtränder. Derartige Probleme treten vermehrt beim Einsatz von feuerverzinkten Stahlblechen auf.
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Die beschriebenen Probleme beim Laserstrahlschweißen und beim Laserstrahllöten können allgemein auf zwei Ursachen zurückgeführt werden, nämlich eine Kontamination der Oberflächen mit z.B. Öl und Schmutzpartikeln und eine Oxidschicht oder eine fügebehindernde Schicht (als Deckschicht) auf der Oberfläche in der Fügezone der zu fügenden Bauteile. Um diese Probleme zu lindern, werden zu fügende Bauteile üblicherweise gebeizt und gewaschen oder in einem separaten Schritt mit einem Reinigungslaser im Bereich der Fügestelle gereinigt. Allerdings bleiben die beschriebenen Probleme trotz der Reinigung oft weiterhin existent.
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Ein Ansatz zur Lösung der beschriebenen Probleme ist z.B. in der Veröffentlichung
"Flux-free laser joining of aluminum and galvanized steel" von S. Frank im "Journal of Materials Processing Technology" 222 (2015) S. 365–372 beschrieben, woraus sich eine Fügeeinrichtung und ein Fügeverfahren der eingangsgenannten Art entnehmen lassen. Die dort beschriebene Fügeeinrichtung umfasst eine erste Laserstrahlungsquelle, die kontinuierlich eine erste Laserstrahlung emittiert, und eine zweite Laserstrahlungsquelle, die gepulst eine zweite Laserstrahlung emittiert. Beide Laserstrahlungen werden einander unter Nutzung eines Strahlenteilers überlagert und durch ein gemeinsames Objektiv als Fokussiermittel fokussiert, was in identischen Einfallswinkeln der ersten und zweiten Laserstrahlungen auf eine Fügezone der beiden Bauteile resultiert. Ein Fügezoneneinwirkbereich bzw. Brennfleck der zweiten Laserstrahlung hat eine linienförmige Gestalt, die senkrecht zur Fügezone ausgerichtet ist, was es ermöglicht, dass die fokussierte zweite Laserstrahlung über die gesamte Breite der Fügezone bzw. Fügenaht einwirkt. Ein Fügezoneneinwirkbereich bzw. Brennfleck der ersten Laserstrahlung hat eine kreisrunde Gestalt.
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Allerdings lässt auch dieser Lösungsansatz weiterhin Raum für Verbesserungen, insbesondere in Bezug auf zur Verbesserung der äußeren Anmutung und der Fügequalität einer zwischen den zu fügenden Bauteilen herzustellenden Fügenaht geeignete Maßnahmen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fügeeinrichtung zum laserstrahlbasierten Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile sowie ein Fügeverfahren zum mittels Laserstrahlung Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile so bereitzustellen, dass eine Verbesserung der äußeren Anmutung und der Fügequalität einer zwischen den zu fügenden Bauteilen herzustellenden Fügenaht realisierbar ist bzw. realisiert wird.
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Dies wird mit einer Fügeeinrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. mit einem Fügeverfahren gemäß Anspruch 9 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß der Erfindung weist eine Fügeeinrichtung zum laserstrahlbasierten Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile eine kontinuierlich emittierende erste Laserstrahlungsquelle, einen ersten Strahlungsleiter, eine gepulst emittierende zweite Laserstrahlungsquelle, mindestens einen zweiten Strahlungsleiter, einen Koppler und Fokussiermittel auf.
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Der erste Strahlungsleiter ist mit der ersten Laserstrahlungsquelle verbunden, um von dieser kontinuierlich emittierte erste Laserstrahlung in den ersten Strahlungsleiter einzukoppeln. Der mindestens eine zweite Strahlungsleiter ist mit der zweiten Laserstrahlungsquelle verbunden, um von dieser gepulst emittierte zweite Laserstrahlung in den mindestens einen zweiten Strahlungsleiter einzukoppeln.
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Der Koppler umfasst eine Mehrkernfaser, welche eine mindestens die Summe von ersten und zweiten Strahlungsleitern betragende Anzahl von Faserkernen zur Strahlungsleitung aufweist. An einem Strahlungseintrittsende des Kopplers sind die Faserkerne jeweils mit einem von jeweiligen Strahlungsaustrittsenden der ersten und zweiten Strahlungsleiter gekoppelt.
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Die Fokussiermittel sind an einem Strahlungsaustrittsende des Kopplers angeordnet, um die ersten und zweiten Laserstrahlungen aus der Mehrkernfaser des Kopplers in einen gemeinsamen Strahlengang der Fokussiermittel einzukoppeln. Die Fokussiermittel sind eingerichtet, die ersten und zweiten Laserstrahlungen in eine Fügezone der beiden Bauteile zu fokussieren, so dass sich ein Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung über eine gesamte Breite der Fügezone erstreckt und in einer Fügerichtung einem Fügezoneneinwirkbereich der ersten Laserstrahlung mit vorbestimmtem Abstand (z.B. 0,5 mm bis 5 mm) vorgelagert ist.
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Eine Leistungskonfiguration der ersten Laserstrahlungsquelle ist definiert, um mit der im Fügezoneneinwirkbereich fokussierten ersten Laserstrahlung durch Wärmeeinbringung einen Stoffschluss der beiden Bauteile zu bewirken. Eine Leistungskonfiguration der zweiten Laserstrahlungsquelle ist definiert, um mit der im Fügezoneneinwirkbereich fokussierten zweiten Laserstrahlung durch Wärmeeinbringung eine Oberflächenvorbehandlung der beiden Bauteile als eine Fügevorbehandlung zu bewirken. Bevorzugt ist die Leistungskonfiguration der ersten Laserstrahlungsquelle definiert, um mit der im Fügezoneneinwirkbereich fokussierten ersten Laserstrahlung als Stoffschluss ein miteinander Verschweißen oder ein miteinander Verlöten der beiden Bauteile zu bewirken.
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Dadurch, dass der Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung in einer Fügerichtung dem Fügezoneneinwirkbereich der ersten Laserstrahlung mit dem vorbestimmten Abstand vorgelagert ist und die Leistungskonfiguration der zweiten Laserstrahlungsquelle definiert ist, um mit der im Fügezoneneinwirkbereich fokussierten zweiten Laserstrahlung durch Wärmeeinbringung eine Oberflächenvorbehandlung der Bauteile zu bewirken, ist eine Fügevorbehandlung realisierbar, welche zur Verbesserung der äußeren Anmutung und der Fügequalität einer zwischen den zu fügenden Bauteilen herzustellenden Fügenaht führt.
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Dadurch, dass sich der Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung über eine gesamte Breite der Fügezone erstreckt, kann die Fügevorbehandlung der Bauteile im gesamten Fügenahtbereich erfolgen und können somit die äußere Anmutung und die Fügequalität der Fügenaht noch weiter verbessert werden. Dadurch, dass die erste und die zweite Laserstrahlung über die Mehrkernfaser in ein Strahlungsleitungskabel gekoppelt und über den gemeinsamen Strahlengang der Fokussiermittel fokussiert werden können, braucht nicht für jede der beiden Laserstrahlungen ein separater Strahlengang zur Fokussierung vorgesehen werden und ist somit der Installationsaufwand für die Fügeeinrichtung reduziert. Zudem wird die Ausrichtung der Fügezoneneinwirkbereiche der Laserstrahlungen auf die Bauteile erleichtert. Für die Fokussiermittel kann z.B. eine einzige Mehrfokusoptik in handelsüblicher Ausführung verwendet sein, was den Herstellungsaufwand für die Fügeeinrichtung reduziert. Dadurch, dass die zweite Laserstrahlungsquelle die zweite Laserstrahlung gepulst emittiert, kann die Fügevorbehandlung mit einer sehr geringeren thermischen Beeinflussung der Bauteile durchgeführt werden, was auch die Fügevorbehandlung von sehr dünnen Metallblechen ermöglicht. Weiterhin ist es mit der gepulst emittierten zweiten Laserstrahlung möglich, die Benetzung der Fügepartner zu steuern.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung weist die Fügeeinrichtung außerdem eine Zusatzwerkstoffzuführeinrichtung auf zum derart in die Fügezone Zuführen eines drahtförmigen Zusatzwerkstoffs zur Realisierung des Stoffschlusses der beiden Bauteile, dass der Zusatzwerkstoff vor Erreichen des Fügezoneneinwirkbereichs der ersten Laserstrahlung die zweite Laserstrahlung durchläuft, um durch die zweite Laserstrahlung einer Oberflächenvorbehandlung als Fügevorbehandlung unterzogen zu werden. Dadurch, dass der Zusatzwerkstoff vor Erreichen des Fügezoneneinwirkbereichs der ersten Laserstrahlung die zweite Laserstrahlung durchläuft, kann auch der Zusatzwerkstoff der Fügevorbehandlung unterzogen werden, was die äußere Anmutung und die Fügequalität der Fügenaht zusätzlich positiv beeinflusst.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung ist die Leistungskonfiguration der zweiten Laserstrahlungsquelle definiert, um im Rahmen der Oberflächenvorbehandlung im Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung ein Abtragen und/oder Anschmelzen einer Deckschicht (wie z.B. einer Oxidschicht oder einer aufgebrachten Metallschicht) auf mindestens einem der beiden Bauteile zu bewirken. Dadurch, dass es ermöglicht wird, eine Deckschicht wie eine Oxidschicht oder eine aufgebrachte Metallschicht abzutragen und/oder anzuschmelzen, können die Fügebedingungen weiter verbessert und damit die äußere Anmutung und die Fügequalität der Fügenaht zusätzlich positiv beeinflusst werden.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung ist die Leistungskonfiguration der zweiten Laserstrahlungsquelle definiert, um im Rahmen der Oberflächenvorbehandlung im Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung ein Abtragen jeglicher Oberflächenkontamination (wie z.B. Öl und Schmutzpartikel) zu bewirken. Dadurch, dass es ermöglicht wird, jegliche Oberflächenkontamination wie Öl und Schmutzpartikel auf den Bauteilen und dem Zusatzwerkstoff abzutragen, können die Fügebedingungen noch weiter verbessert und damit die äußere Anmutung und die Fügequalität der Fügenaht noch zusätzlich positiv beeinflusst werden.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung ist der Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung in Form einer Linie ausgebildet, welche sich mit vorbestimmter Linienbreite längs quer zur Fügerichtung erstreckt. Mit dieser förmlichen Ausgestaltung des Fügezoneneinwirkbereichs der zweiten Laserstrahlung kann auf einfache Weise die volle Breite der Fügezone abgedeckt und der Fügevorbehandlung unterzogen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung sind mehrere zweite Strahlungsleiter vorgesehen, welche mit der zweiten Laserstrahlungsquelle verbunden sind, um von dieser gepulst emittierte zweite Laserstrahlung jeweils in die zweiten Strahlungsleiter einzukoppeln, wobei der Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung durch eine Mehrzahl von quer zur Fügerichtung linienartig aneinandergereihten Laserspots vorbestimmten Durchmessers gebildet ist. Auch mit dieser förmlichen Ausgestaltung des Fügezoneneinwirkbereichs der zweiten Laserstrahlung kann auf einfache Weise die volle Breite der Fügezone abgedeckt und der Fügevorbehandlung unterzogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung sind die Fokussiermittel eingerichtet, so dass sich der Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung beidseitig der Fügezone um ein vorbestimmtes Überstandsmaß (z.B. 0,5 mm bis 2 mm) über die Breite der Fügezone hinaus erstreckt. Dadurch, dass sich der Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung beidseitig der Fügezone um das Überstandsmaß über die Breite der Fügezone hinaus erstreckt, kann sichergestellt werden, dass die Fügevorbehandlung auch an den Längsrändern der Fügezone und damit der späteren Fügenaht vollständig durchgeführt wird.
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Durch die Erfindung wird auch ein Fügeverfahren zum mittels Laserstrahlung Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination, bereitgestellt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren werden die beiden Bauteile so angeordnet, dass sie eine Fügezone zum Zusammenfügen dieser definieren. Eine von einer ersten Laserstrahlungsquelle kontinuierlich emittierte erste Laserstrahlung wird in die Fügezone fokussiert, so dass in einem Fügezoneneinwirkbereich der ersten Laserstrahlung durch Wärmeeinbringung ein Stoffschluss (insbesondere ein miteinander Verlöten oder Verschweißen) der beiden Bauteile erzielt wird. In einer Fügerichtung dem Fügezoneneinwirkbereich der ersten Laserstrahlung mit vorbestimmtem Abstand (z.B. 0,5 mm bis 5 mm) vorgelagert wird eine von einer zweiten Laserstrahlungsquelle gepulst emittierte zweite Laserstrahlung in die Fügezone fokussiert, so dass sich ein Fügezoneneinwirkbereich der zweiten Laserstrahlung über eine gesamte Breite der Fügezone erstreckt und in dem Fügezoneneinwirkbereich durch Wärmeeinbringung eine Oberflächenvorbehandlung der beiden Bauteile als eine Fügevorbehandlung durchgeführt wird. Die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung werden, bevorzugt nach erfolgter Einkopplung in eine Mehrkernfaser eines Kopplers, über einen gemeinsamen Strahlengang von Fokussiermitteln in die Fügezone fokussiert.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird die zweite Laserstrahlung so in die Fügezone fokussiert, dass sich deren Fügezoneneinwirkbereich beidseitig der Fügezone um ein vorbestimmtes Überstandsmaß (z.B. 0,5 mm bis 2 mm) über die Breite der Fügezone hinaus erstreckt.
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Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens lassen sich aus den oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung herleiten und werden daher zur Vermeidung von Wiederholungen nicht explizit aufgeführt. Die oben für die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung angeführten Vorteile und Wirkungen gelten in analoger Weise auch für die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens und brauchen daher nicht wiederholt aufgeführt zu werden.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter
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Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Fügeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und eine schematische Draufsicht auf Fokussiermittel der Fügeeinrichtung.
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Fügeeinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und eine schematische Draufsicht auf Fokussiermittel der Fügeeinrichtung.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Fügeeinrichtung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung.
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Fügeeinrichtung 1; 1' zum laserstrahlbasierten Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile B1, B2 (siehe 3) und ein die Fügeeinrichtung 1; 1' nutzendes Fügeverfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen der Fügeeinrichtung 1; 1' ist diese zum laserstrahlbasierten Zusammenlöten oder Zusammenschweißen der beiden Bauteile B1, B2 eingerichtet.
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Wie in 3 gezeigt, sind die beiden Bauteile B1, B2 jeweils so zueinander angeordnet, dass sie zum Zusammenfügen der Bauteile B1, B2 eine streifenförmige Fügezone FZ bereitstellen, in welcher im zusammengefügten Zustand der Bauteile B1, B2 eine Fügenaht FN ausgebildet ist. Die Fügezone FZ kann dabei z.B. von zwei stumpf aneinanderstoßenden Begrenzungsrändern BR1, BR2 der beiden Bauteile B1, B2 gebildet sein. Außerdem können die Begrenzungsränder BR1, BR2 der beiden Bauteile B1, B2 in der Fügezone FZ z.B. eine Kehle (nicht dargestellt) zur Ausbildung einer Kehlnaht definieren.
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Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung sind die beiden Bauteile B1, B2 jeweils als relativ dünnes Stahlblech (z.B. mit einer Blechdicke von kleiner 1 mm oder kleiner 0,65 mm) ausgebildet, wobei jedes der beiden Bauteile B1, B2 ein Außenhautteil für eine Fahrzeugkarosserie bildet und zum Korrosionsschutz rundum feuerverzinkt ist, d.h. per Feuerverzinken auf jedes Bauteil B1, B2 eine Zinkbeschichtung aufgebracht ist.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt, weist die Fügeeinrichtung 1; 1' gemäß den vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung eine erste Laserstrahlungsquelle 10, einen ersten Strahlungsleiter 11, eine zweite Laserstrahlungsquelle 20, mindestens einen zweiten Strahlungsleiter 21; 21', einen Koppler 30; 30', eine Mehrfokusoptik 40, 40' als Fokussiermittel
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und eine Zusatzwerkstoffzuführeinrichtung 50 zum in die Fügezone FZ Zuführen eines drahtförmigen Zusatzwerkstoffs (eines Löt- oder Schweißdrahtes) 51 und eines Schutzgases (nicht gezeigt) auf. Der Zusatzwerkstoff 51 ist materialmäßig auf das Material der zusammenzufügenden Bauteile B1, B2 abgestimmt.
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Die erste Laserstrahlungsquelle 10 ist als eine kontinuierlich emittierende Laserstrahlungsquelle ausgebildet, welche eine Dauerstrichlaserstrahlung als eine erste Laserstrahlung LS1 emittiert. In Fachkreisen wird solch eine kontinuierlich emittierende Laserstrahlungsquelle auch als CW-Laser bezeichnet. Der erste Strahlungsleiter 11 ist mit der ersten Laserstrahlungsquelle 10 verbunden, um die von dieser kontinuierlich emittierte erste Laserstrahlung LS1 in den ersten Strahlungsleiter 11 einzukoppeln.
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Die zweite Laserstrahlungsquelle 20; 20' ist als eine gepulst emittierende Laserstrahlungsquelle ausgebildet, welche eine diskontinuierliche bzw. gepulste Laserstrahlung als eine zweite Laserstrahlung LS2; LS2' emittiert. Der mindestens eine zweite Strahlungsleiter 21; 21' ist mit der zweiten Laserstrahlungsquelle 20; 20' verbunden, um die von dieser gepulst emittierte zweite Laserstrahlung LS2; LS2' in den mindestens einen zweiten Strahlungsleiter 21; 21' einzukoppeln.
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Die ersten und zweiten Strahlungsleiter 11, 21; 21' sind z.B. als voneinander separate Lichtleiterkabel mit jeweiligen Faserkernen ausgebildet. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform der Fügeeinrichtung 1 sind die ersten und zweiten Strahlungsleiter 11, 21 jeweils als Lichtleiterkabel mit jeweils einem Faserkern ausgebildet. Gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform der Fügeeinrichtung 1' ist der erste Strahlungsleiter 11 als Lichtleiterkabel mit einem Faserkern ausgebildet. In der Fügeeinrichtung 1' gemäß 2 sind mehrere zweite Strahlungsleiter 21' (nur einfach bezeichnet) vorgesehen, welche mit der zweiten Laserstrahlungsquelle 20' verbunden sind, um die von dieser gepulst emittierte zweite Laserstrahlung LS2' jeweils in die zweiten Strahlungsleiter 21' einzukoppeln. Genauer sind die zweiten Strahlungsleiter 21' als mehrere Faserkerne in ein gemeinsames Lichtleiterkabel (nicht separat bezeichnet) integriert.
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Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung ist der Koppler 30; 30' mit einer Mehrkernfaser realisiert, welche eine mindestens die Summe von ersten und zweiten Strahlungsleitern 11, 21; 21' betragende Anzahl von Faserkernen zur Strahlungsleitung aufweist. An einem Strahlungseintrittsende des Kopplers 30; 30' sind die Faserkerne der Mehrkernfaser jeweils mit einem von jeweiligen Strahlungsaustrittsenden der Faserkerne der ersten und zweiten Strahlungsleiter 11, 21; 21' gekoppelt, um die ersten und zweiten Laserstrahlungen LS1, LS2; LS2' aus den ersten und zweiten Strahlungsleiter 11, 21; 21' in die Mehrkernfaser des Kopplers 30; 30' einzukoppeln.
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Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung ist die Mehrfokusoptik (Fokussiermittel) 40, 40' an einem Strahlungsaustrittsende des Kopplers 30; 30' angeordnet, um die ersten und zweiten Laserstrahlungen LS1, LS2; LS2' aus der Mehrkernfaser des Kopplers 30; 30' in einen gemeinsamen Strahlengang der Mehrfokusoptik 40, 40' einzukoppeln. Die Mehrfokusoptik 40, 40' ist eingerichtet, die ersten und zweiten Laserstrahlungen LS1, LS2; LS2' in die Fügezone FZ der beiden Bauteile B1, B2 zu fokussieren, so dass sich ein Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' der zweiten Laserstrahlung LS2; LS2' über eine gesamte Breite BZ der Fügezone FZ erstreckt und in einer Fügerichtung FR einem Fügezoneneinwirkbereich EB1 der ersten Laserstrahlung LS1 mit vorbestimmtem Abstand Z1 (Z1 beträgt z.B. 0,5 mm bis 5 mm) vorgelagert ist. D.h., die Mehrfokusoptik 40, 40' definiert einen einzigen Strahlengang, über welchen die ersten und zweiten Laserstrahlungen LS1, LS2; LS2' gemeinsam geleitet und dabei mit mehreren (mindestens zwei) voneinander beabstandeten Fokussen (Fügezoneneinwirkbereichen) in die Fügezone FZ der beiden Bauteile B1, B2 fokussiert werden können.
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Wie aus 1 und 3 ersichtlich, ist in der einen Ausführungsform der Fügeeinrichtung 1 der Fügezoneneinwirkbereich EB2 der zweiten Laserstrahlung LS2 in Form einer Linie ausgebildet, welche sich mit vorbestimmter Linienbreite (z.B. 0,1 mm bis 0,2 mm) längs quer zur Fügerichtung FR erstreckt. Wie aus 2 und 3 ersichtlich, ist in der anderen Ausführungsform der Fügeeinrichtung 1' der Fügezoneneinwirkbereich EB2' der zweiten Laserstrahlung LS2' durch eine Mehrzahl von quer zur Fügerichtung FR linienartig aneinandergereihten Laserspots vorbestimmten Durchmessers (z.B. 0,1 mm bis 0,2 mm) gebildet. Wie aus 3 ersichtlich, ist die Mehrfokusoptik 40, 40' (die Fokussiermittel) so eingerichtet, dass sich der Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' der zweiten Laserstrahlung LS2; LS2' beidseitig der Fügezone FZ um ein vorbestimmtes Überstandsmaß Z2; Z2' (Z2; Z2' beträgt z.B. 0,5 mm bis 2 mm) über die Breite BZ der Fügezone FZ hinaus erstreckt.
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Eine Leistungskonfiguration (eine effektive Laserstrahlleistung) der ersten Laserstrahlungsquelle 10 ist so definiert bzw. bemessen, dass mit der im Fügezoneneinwirkbereich EB1 fokussierten ersten Laserstrahlung LS1 durch Wärmeeinbringung ein Stoffschluss (ein miteinander Verschweißen oder ein miteinander Verlöten) der beiden Bauteile B1, B2 bewirkt werden kann. Eine Leistungskonfiguration (eine effektive Laserstrahlleistung) der zweiten Laserstrahlungsquelle 20; 20' ist so definiert bzw. bemessen, dass mit der im Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' fokussierten zweiten Laserstrahlung LS2; LS2' durch Wärmeeinbringung eine Oberflächenvorbehandlung der beiden Bauteile B1, B2 als eine Fügevorbehandlung bewirkt werden kann.
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Wie aus 3 ersichtlich, ist die Zusatzwerkstoffzuführeinrichtung 50 so angeordnet und eingerichtet, dass der drahtförmige Zusatzwerkstoff 51 beim Zuführen in die Fügezone FZ vor Erreichen des Fügezoneneinwirkbereichs EB1 der ersten Laserstrahlung LS1 die zweite Laserstrahlung LS2; LS2' durchläuft, um durch die zweite Laserstrahlung LS2; LS2' ebenfalls einer Oberflächenvorbehandlung als Fügevorbehandlung unterzogen zu werden.
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Die Leistungskonfiguration der zweiten Laserstrahlungsquelle 20; 20' ist daher bevorzugt so definiert, dass im Rahmen der Oberflächenvorbehandlung im Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' der zweiten Laserstrahlung LS2; LS2' und auch kurz darüber ein Abtragen jeglicher Oberflächenkontamination von sowohl den Bauteilen B1, B2 als auch dem drahtförmigen Zusatzwerkstoff 51 bewirkt werden kann.
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Da die beiden Bauteile B1, B2 jeweils feuerverzinkt (mit einer Deckschicht versehen) sind, ist die Leistungskonfiguration der zweiten Laserstrahlungsquelle 20; 20' daher bevorzugt auch so definiert, dass im Rahmen der Oberflächenvorbehandlung im Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' der zweiten Laserstrahlung LS2; LS2' ein Abtragen und/oder Anschmelzen einer Deckschicht (hier der Zinkschicht) auf mindestens einem der beiden Bauteile B1, B2, aber hier auf beiden Bauteilen B1, B2, bewirkt werden kann.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung der Struktur der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung 1; 1' und die 1 bis 3 ein die Fügeeinrichtung 1; 1' nutzendes Fügeverfahren zum mittels Laserstrahlung Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 beschrieben werden.
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Gemäß dem Fügeverfahren werden zunächst die beiden Bauteile B1, B2 an einem Aufstellungsort der Fügeeinrichtung 1; 1' so zueinander angeordnet, dass sie die streifenförmige Fügezone FZ zum Zusammenfügen der Bauteile B1, B2 definieren, wie in 3 gezeigt. Dann wird die Zusatzwerkstoffzuführeinrichtung 50 zum Zuführen des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 51 und des Schutzgases so an die Fügezone FZ angestellt, dass sich der drahtförmige Zusatzwerkstoff 51 schräg von oben nach unten auf die Fügezone FZ zu erstreckt.
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Außerdem werden die ersten und zweiten Laserstrahlungsquellen 10, 20; 20' in Betrieb gesetzt und wird die Mehrfokusoptik 40, 40' so relativ zu den Bauteilen B1, B2 ausgerichtet, dass die erste Laserstrahlung LS1 und die zweite Laserstrahlung LS2; LS2' über den gemeinsamen Strahlengang der Mehrfokusoptik 40, 40' in die Fügezone FZ fokussiert werden.
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Genauer wird die von der ersten Laserstrahlungsquelle 10 kontinuierlich emittierte erste Laserstrahlung LS1 in einem kreisrunden Fügezoneneinwirkbereich EB1 (welcher einen Durchmesser von z.B. etwa 2,5 mm bis etwa 3,5 mm hat) in der Breite BZ etwa mittig in die streifenförmige Fügezone FZ der Bauteile B1, B2 fokussiert, so dass im Fügezoneneinwirkbereich EB1 der ersten Laserstrahlung LS1 durch Wärmeeinbringung ein Stoffschluss (ein miteinander Verschweißen oder Verlöten) der beiden Bauteile B1, B2 erzielt wird. Dabei wird im Fügezoneneinwirkbereich EB1 der ersten Laserstrahlung LS1 der von der Zusatzwerkstoffzuführeinrichtung 50 zugeführte Zusatzwerkstoff 51 aufgeschmolzen und werden die Begrenzungsränder BR1, BR2 der beiden Bauteile B1, B2 bis auf Fügetemperatur (Schweißtemperatur oder Löttemperatur) erwärmt und ggf. angeschmolzen.
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In der Fügerichtung FR dem Fügezoneneinwirkbereich EB1 der ersten Laserstrahlung LS1 mit dem vorbestimmtem Abstand Z1 vorgelagert wird die von der zweiten Laserstrahlungsquelle 20; 20' gepulst emittierte zweite Laserstrahlung LS2; LS2' in einem linienförmigen bzw. linienähnlichen Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' in die streifenförmige Fügezone FZ der Bauteile B1, B2 fokussiert, so dass sich der Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' der zweiten Laserstrahlung LS2; LS2' über die gesamte Breite BZ der Fügezone FZ erstreckt und im Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' durch Wärmeeinbringung die o.g. Oberflächenvorbehandlung (Abtragen und/oder Anschmelzen der Deckschicht (Zinkschicht) und Abtragen jeglicher Oberflächenkontamination wie z.B. Öl) der beiden Bauteile B1, B2 als Fügevorbehandlung durchgeführt wird. Bevorzugt wird die zweite Laserstrahlung LS2; LS2' so in die Fügezone FZ fokussiert, dass sich deren Fügezoneneinwirkbereich EB2; EB2' beidseitig der Fügezone FZ um das vorbestimmte Überstandsmaß Z2; Z2' über die Breite BZ der Fügezone FZ hinaus erstreckt.
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Da die Zusatzwerkstoffzuführeinrichtung 50 so angeordnet und eingerichtet ist, dass der drahtförmige Zusatzwerkstoff 51 beim Zuführen in die Fügezone FZ vor Erreichen des Fügezoneneinwirkbereichs EB1 der ersten Laserstrahlung LS1 die zweite Laserstrahlung LS2; LS2' durchläuft, wird der Zusatzwerkstoff 51 via Wärmeeinbringung durch die zweite Laserstrahlung LS2; LS2' ebenfalls der o.g. Oberflächenvorbehandlung (Abtragen jeglicher Oberflächenkontamination wie z.B. Öl) als Fügevorbehandlung unterzogen.
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Bezugszeichenliste
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- 1; 1'
- Fügeeinrichtung
- 10
- erste Laserstrahlungsquelle
- 11
- erster Strahlungsleiter
- 20; 20'
- zweite Laserstrahlungsquelle
- 21; 21'
- zweiter Strahlungsleiter
- 30; 30'
- Koppler
- 40; 40'
- Mehrfokusoptik (Fokussiermittel)
- 50
- Zusatzwerkstoffzuführeinrichtung
- 51
- Zusatzwerkstoff
- B1, B2
- Bauteil
- BR1, BR2
- Begrenzungsränder
- BZ
- Breite der Fügezone
- EB1
- Fügezoneneinwirkbereich
- EB2; EB2'
- Fügezoneneinwirkbereich
- FN
- Fügenaht
- FR
- Fügerichtung
- FZ
- Fügezone
- LS1
- erste Laserstrahlung
- LS2; LS2'
- zweite Laserstrahlung
- Z1
- Abstand
- Z2; Z2'
- Überstandsmaß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Flux-free laser joining of aluminum and galvanized steel" von S. Frank im "Journal of Materials Processing Technology" 222 (2015) S. 365–372 [0005]
