DE102016220067B4

DE102016220067B4 - Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, wobei eine verkippte Dampfkapillare mittels zweier Laserstrahlen erzeugt wird

Info

Publication number: DE102016220067B4
Application number: DE102016220067.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Stambke; Falk Nagel; Jean Pierre BERGMANN
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik Se De
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2036-10-15
Also published as: DE102016220067A1

Abstract

Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks (1),wobei ein erster Laserstrahl (21) einen ersten Bereich (23) der Oberfläche (3) des Werkstücks (1) bestrahlt und ein zweiter Laserstrahl (22) einen zweiten Bereich (24) der Oberfläche (3) des Werkstücks (1) bestrahlt,wobei der erste Bereich (23) kleiner als der zweite Bereich (24) ist und der erste Bereich (23) vollständig vom zweiten Bereich (24) überlappt wird,wobei der erste Laserstrahl (21), nicht aber der zweite Laserstrahl (22), eine Intensität (I) aufweist, die zur Ausbildung einer Dampfkapillare (4) ausreicht,und wobei eine erste Strahlachse (SA1) des ersten Laserstrahls (21) und eine zweite Strahlachse (SA2) des zweiten Laserstrahls (22) zueinander geneigt verlaufen,dadurch gekennzeichnet,dass die erste Strahlachse (SA1), die zweite Strahlachse (SA2) und eine Schweißrichtung (SR) in einer gemeinsamen Ebene (GE) verlaufen, dass die zweite Strahlachse (SA2) gegenüber der ersten Strahlachse (SA1) um einen Winkel α auf das dem ersten Bereich (23) nachlaufende Schmelzbad (8) zu geneigt ist,dass eine Kapillarachse (11) der Dampfkapillare (4) gegenüber der ersten Strahlachse (SA1) um einen Winkel β auf das nachlaufende Schmelzbad (8) zu geneigt ist,und dass die Kapillarachse (11) gegenüber einer Normalen (12) der Oberfläche (3) des Werkstücks (1) um einen Winkel γ auf das nachlaufende Schmelzbad (8) zu geneigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks, wobei ein erster Laserstrahl einen ersten Bereich der Oberfläche des Werkstücks bestrahlt und ein zweiter Laserstrahl einen zweiten Bereich der Oberfläche des Werkstücks bestrahlt,
wobei der erste Bereich kleiner als der zweite Bereich ist und der erste Bereich vollständig vom zweiten Bereich überlappt wird,
wobei der erste Laserstrahl, nicht aber der zweite Laserstrahl, eine Intensität aufweist, die zur Ausbildung einer Dampfkapillare ausreicht,
und wobei eine erste Strahlachse des ersten Laserstrahls und eine zweite Strahlachse des zweiten Laserstrahls zueinander geneigt verlaufen.
Ein solches Verfahren ist aus der EP 1 007 267 B1 bekannt geworden.
Durch Laserstrahlschweißen können Werkstücke mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit an einer schmalen Schweißnaht miteinander verbunden werden. In die Werkstücke wird nur relativ wenig Wärmeenergie eingebracht, so dass kein oder nur geringer thermischer Verzug auftritt.
Beim Lasertiefschweißen wird das Werkstückmaterial nicht nur oberflächlich angeschmolzen, sondern es bildet sich im Schmelzbad eine Dampfkapillare in Strahlrichtung aus. Dadurch kann die Laserstrahlung in größere Tiefen vordringen, wodurch stärkere Verbindungen zwischen Werkstücken erzeugt werden können.
Eine Schwierigkeit beim Lasertiefschweißen ist die Ausbildung von Schweißspritzern. Flüssiges Werkstückmaterial wird aus dem Schmelzbad herausgeschleudert, was die Umgebung verunreinigt, und - wichtiger noch - zu einem Materialverlust in der Schweißnaht führt, wodurch diese mechanisch geschwächt ist. Im Allgemeinen ist es vorteilhaft, Schweißspritzer zu minimieren.
Die Ausbildung von Schweißspritzern ist abhängig von den Strömungsverhältnissen des Metalldampfs in der Dampfkapillare und der Metallschmelze im Schmelzbad um die Dampfkapillare herum.
Im Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Reduzierung von Schweißspritzern bekannt geworden, mit denen auf die Dampfkapillare oder das Schmelzbad Einfluss genommen werden soll.
In der WO 2015/189883 A1 wird vorgeschlagen, mit einem ersten verdichteten Laserstrahl eine Dampfkapillare und ein umgebendes Schmelzbad zu erzeugen, und mit einem zweiten Laserstrahl, der einen ringförmigen Bestrahlungsbereich um den Bestrahlungsbereich des ersten Laserstrahls herum beleuchtet, das Schmelzbad zu vergrößern. In Varianten liegt der vom zweiten Laserstrahl beleuchtete Bestrahlungsbereich hinter dem Bestrahlungsbereich des ersten Laserstrahls oder wandert um diesen herum.
In der DE 10 2006 011 064 B4 wird zum Schweißen eines Leichtmetalls vorgeschlagen, mit einem rechteckförmigen ersten Laserstrahl ein Werkstück oberflächennah aufzuschmelzen, und mit einem zweiten, kleineren Laserstrahl, der in der Oberflächenebene vom ersten Laserstrahl umschlossen wird, Werkstückmaterial zu verdampfen. Eine sich ausbildende Konvektionsströmung soll einen Siedeverzug und daraus resultierende Schweißspritzer verhindern.
Die EP 1 007 267 B1 schlägt vor, einen ersten Laserstrahl mit hoher Intensität und einen zweiten, größeren Laserstrahl mit geringerer Intensität zu überlagern, um das Schmelzbad um den ersten Laserstrahl herum zu vergrößern und eine kelchförmige Öffnung der Dampfkapillare zu erhalten. Gasförmige Komponenten können leichter entweichen, so dass es zu keinen Stauungen und Spritzern kommt. Die Form des Fokus des zweiten Laserstrahls kann durch eine geneigte Strahlrichtung des zweiten Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche erhalten werden.
Die EP 2 859 986 A1 beschreibt ein Schweißverfahren, bei dem ein erster Laserstrahl mit einer Leistungsdichte für ein Wärmeleitschweißen und ein zweiter Laserstrahl mit einer Leistungsdichte für ein Tiefschweißen an einem Prozesspunkt überlagert werden, wobei der zweite Laserstrahl einen kleineren Radius als der erste Laserstrahl hat. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl schließen einen Winkel zueinander ein.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasertiefschweißverfahren bereitzustellen, bei dem Schweißspritzer reduziert sind.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass die erste Strahlachse, die zweite Strahlachse und eine Schweißrichtung in einer gemeinsamen Ebene verlaufen,
dass die zweite Strahlachse gegenüber der ersten Strahlachse um einen Winkel α auf das dem ersten Bereich nachlaufende Schmelzbad zu geneigt ist, dass eine Kapillarachse der Dampfkapillare gegenüber der ersten Strahlachse um einen Winkel β auf das nachlaufende Schmelzbad zu geneigt ist,
und dass die Kapillarachse gegenüber einer Normalen der Oberfläche des Werkstücks um einen Winkel γ auf das nachlaufende Schmelzbad zu geneigt ist.
Der erste Laserstrahl erzeugt im (meist metallischen) zu schweißenden Werkstück bzw. am Stoß der zu verbindenden Werkstückteile eine Dampfkapillare in einem Schmelzbad. Durch den zweiten Laserstrahl wird zusätzliche Energie in das Schmelzbad eingebracht und dieses ausgeweitet. Dabei erfolgt der Energieeintrag des zweiten Laserstrahls gegenüber dem ersten Laserstrahl auf das nachlaufende Schmelzbad zu geneigt, so dass zusätzliche Wärmenergie in einem keilförmigen, entgegen der Schweißrichtung sich verjüngenden Bereich des nachlaufenden Schmelzbades eingetragen wird. Dadurch kann Werkstückmaterial an der rückwärtigen Seite der Dampfkapillare leichter und damit vermehrt verdampft werden. Entsprechend verkippt die Dampfkapillare auf das Schmelzbad zu. Die Dampfkapillare wird gemäß der Erfindung so weit verkippt, dass die Kapillarachse gegenüber der Oberflächennormalen (in der gemeinsamen Ebene) auf das nachlaufende Schmelzbad zu geneigt ist.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass dadurch Schweißspritzer erheblich reduziert werden können. Möglicherweise liegt dies darin begründet, dass dann eine Konvektionsströmung, die durch aufsteigenden Dampf in der Dampfkapillare in der umgebenden Schmelze im Bereich der Rückseite der Dampfkapillare erzeugt wird, flacher (mehr in Richtung parallel der Oberfläche des nachlaufenden Schmelzbades) verläuft. Entsprechend ist dann bei gegebener Geschwindigkeit der Geschwindigkeitsanteil der Schmelze in der Konvektionsströmung hach oben weg von der Oberfläche des nachlaufenden Schmelzbades kleiner, so dass bei gegebener Oberflächenspannung die Tröpfchenbildung verringert ist. Weiterhin trägt ein nach oben abgehender Dampf weniger stark zur Beschleunigung der Schmelze am rückwärtigen Rand der Dampfkapillare bei, insbesondere wenn die Dampfkapillare im Wesentlichen I-förmig ausgebildet ist, so dass die Konvektionsströmung insgesamt langsamer verläuft, was ebenfalls die Tröpfchenbildung reduziert. Schließlich führt auch die Vergrößerung des Schmelzbades insgesamt durch den zweiten Laserstrahl gegenüber einem Schmelzbad des ersten Laserstrahls allein zu einer weiteren Verlangsamung der Strömungen im Schmelzbad.
Für die Neigung (β) der Kapillarachse gegenüber der ersten Strahlachse sollte eine ausreichend große Neigung (α) der zweiten Strahlachse gegenüber der ersten Strahlachse (meist mit α ≥ 30°, typischerweise um 45°), eine angemessene, nicht zu hohe Vorschubgeschwindigkeit des Schweißprozesses und eine ausreichend hohe Intensität des zweiten Laserstrahls gewählt werden. Eine typische Vorschubgeschwindigkeit des Schweißprozesses (in Schweißrichtung) beträgt im Rahmen der Erfindung 5-25 m/min beim Schweißen von Stahl, mit Laserleistungen von typischerweise 2 bis 8 kW des ersten Laserstrahls und 1 bis 3 kW des zweiten Laserstrahls. Der zweite Laserstrahl ist typischerweise mindestens so stark, dass die Werkstückoberfläche im zweiten Bereich vollständig oder nahezu vollständig (etwa zu über 90%) aufgeschmolzen wird.
Man beachte, dass beim Laserschweißen mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten die Tendenz besteht, dass sich die Kapillarachse dem die Dampfkapillare erzeugenden Laserstrahl weg bzw. vom nachlaufenden Schmelzbad weg neigt. Im Rahmen der Erfindung werden erster und zweiter Laserstrahl so eingestellt, dass eine etwaige solche Neigung überkompensiert wird, so dass die resultierende Dampfkapillare wieder auf das nachlaufende Schmelzbad zu geneigt ist.
Sofern die Kapillarachse (bzw. Mittenverlauf der Dampfkapillare im Längsschnitt entlang der Schweißrichtung) eine nennenswerte Krümmung (in der gemeinsamen Ebene) aufweist, so bestimmt sich die Neigung der Kapillarachse über die Orientierung von dem Teil der Kapillarachse (bzw. des Mittenverlaufs) nahe der Oberflächenebene des Werkstücks. Die Neigungsrichtung ist bezüglich eines jeweiligen Achsenstücks oberhalb der Werkstückoberfläche beschrieben.
Durch die vollständige Überlappung des ersten Bereichs durch den zweiten Bereich koppelt ein Anteil der Strahlung des zweiten Bereichs in die Dampfkapillare ein, wodurch auch die Verkippung der Dampfkapillare auf das nachlaufende Schmelzbad beeinflusst wird.
Der Fokus der Laserstrahlen liegt typischerweise jeweils in der Werkstückoberflächenebene oder kurz darunter (weniger als die Schmelzbadtiefe). In der Regel kreuzen sich die erste Strahlachse und die zweite Strahlachse unterhalb der Oberflächenebene des Werkstücks innerhalb der Dampfkapillare.
Die beiden Laserstrahlen kommen typischerweise von unterschiedlichen Laserquellen, können aber auch aus einer einzigen Laserquelle stammen.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens trifft die erste Strahlachse senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks. Dadurch können besonders wenige Schweißspritzer erhalten werden. Ein entgegen der Schweißrichtung stechender Einfall des ersten Laserstrahls (mit einer ersten Strahlachse, die gegenüber der Oberflächennormalen vom nachlaufenden Schweißbad weg geneigt ist) kann dazu führen, dass die Dampfkapillare das nachlaufende Schmelzbad erheblich untergreift, insbesondere im unteren Teil, was durch aufsteigenden Dampf zu Turbulenzen im Schmelzbad führen kann. Ein in Schweißrichtung stechender Einfall (mit einer ersten Strahlachse, die gegenüber der Oberflächennormalen zum nachlaufenden Schmelzbad hin geneigt ist) kann dazu führen, dass die Dampfkapillare ein vorauslaufendes Schmelzbad oder gar festes Werkstückmaterial untergreift, was zu Stauungen der Schmelze führen kann. Im Einzelfall kann es jedoch sinnvoll sein, einen stechenden Einfall mit einem geringen Einstichwinkel δ der ersten Strahlachse gegenüber der Oberflächennormalen zu wählen, etwa mit 0 > δ ≥ -5° für einen stechenden Einfall entgegen der Schweißrichtung, oder mit 0 < δ ≤ 10° für einen stechenden Einfall in Schweißrichtung, mit δ: Winkel der ersten Strahlachse gegenüber der Oberflächennormalen, positiv gemessen auf das nachlaufende Schmelzbad zu.
Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der für den Winkel α gilt: 30° ≤ α ≤ 60°, bevorzugt 40° ≤ α ≤ 50°. Mit diesem Winkel zwischen den Strahlachsen hat sich eine besonders gute Verkippwirkung des zweiten Laserstrahls auf die Kapillarachse eingestellt.
Bevorzugt ist weiterhin eine Verfahrensvariante, bei der für den Winkel β gilt: 2°≤ β ≤ 20°, bevorzugt 3° ≤ β ≤ 10°. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn für den Winkel γ gilt: 2°≤ γ ≤ 20°, bevorzugt 3° ≤ γ ≤ 10°. Mit einer solchen Verkippung kann in der Regel eine erhebliche Reduzierung der Schweißspritzer erzielt werden. Bei näherungsweise I-förmigen Schweißkapillaren können schon vergleichsweise kleine Winkel γ, etwa mit 2° ≤ γ ≤ 6°, für eine deutliche Verbesserung sorgen; möglicherweise ist bereits dann der Krafteintrag von aufsteigendem Materialdampf in das angrenzende nachlaufende Schmelzbad deutlich reduziert. Bei näherungsweise V-förmigen Dampfkapillaren wird meist ein etwas größerer Winkel γ eingestellt, etwa mit 6° ≤ γ ≤ 20°; dies führt zu einem steileren Verlauf der vorderen Kapillarfront, wodurch möglicherweise der Energieeintrag bis in größeren Tiefen verteilt werden kann, was wiederum zu gleichmäßigeren Strömungsverhältnissen und damit weniger Spritzern beitragen kann.
Bevorzugt ist auch eine Variante, die vorsieht, dass für ein gemeinsames Intensitätsprofil von erstem und zweitem Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstücks gilt, dass in einem hinteren Teil, der das nachlaufende Schmelzbad zumindest teilweise umfasst, bevorzugt mindestens 50% einer Länge SL des nachlaufenden Schmelzbades umfasst, die Intensität entgegen der Schweißrichtung kontinuierlich abnimmt. Dadurch wird ein gleichmäßiges Erstarrungsverhalten am hinteren Ende des nachlaufenden Schmelzbades erreicht. Eine Abkühlung des Schmelzbades am hinteren Ende wird durch den niedrigeren Energieeintrag dort befördert. Dies erleichtert die Einstellung von stabilen (insbesondere laminaren) Strömungsverhältnissen im Schmelzbad und trägt somit zur Spritzerreduzierung bei.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Variante nimmt in dem hinteren Teil die Intensität entgegen der Schweißrichtung näherungsweise linear ab. Dies sorgt für besonders stabile Strömungsverhältnisse und entspricht gut den typischen Wärmeableitungsverhältnissen in das feste Material in einem keilförmigen, nachlaufenden Schmelzbad.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der für das gemeinsame Intensitätsprofil weiterhin gilt, dass in einem mittleren Teil, der die Dampfkapillare zumindest teilweise umfasst, die Intensität in Schweißrichtung näherungsweise konstant ist. Dadurch wird die Ausbildung einer tiefen, näherungsweise I-förmigen Dampfkapillare befördert. Dies kann wiederum zu gleichmäßigeren Strömungsverhältnissen und damit weniger Spritzern beitragen.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn im gemeinsamen Intensitätsprofil der mittlere Teil und der hintere Teil aneinander anschließen, wobei die Intensität am Übergang von mittlerem Teil und hinterem Teil näherungsweise stetig verläuft. Dadurch kann die Verkippung der Dampfkapillare auf das nachlaufende Schmelzbad zu verstärkt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Strahlengang des ersten Laserstrahls und/oder im Strahlengang des zweiten Laserstrahls vor dem Werkstück ein optisches Element angeordnet wird, durch das dem jeweiligen Laserstrahl ein bezüglich der jeweiligen Strahlachse nicht rotationssymmetrisches Intensitätsprofil aufgeprägt wird, insbesondere wobei der jeweilige Laserstrahl über den Strahlquerschnitt unterschiedlich stark absorbiert wird. Mittels des Intensitätsprofils kann der Energieeintrag in das Schmelzbad (und die Dampfkapillare) gezielt eingestellt werden, und damit insbesondere in Hinblick auf Spritzerminimierung optimiert werden. Das Intensitätsprofil beinhaltet im Allgemeinen nicht nur voll bestrahlte und voll abgeschattete Bereiche, sondern auch dazwischen liegende Intensitäten. Anders gesagt, die Intensität variiert über den Strahlquerschnitt (in nicht rotationssymmetrischer Weise), also insbesondere nicht nur infolge eines Gaußprofils. Dabei können stetige, insbesondere lineare Intensitätsgradienten oder auch eine oder mehrere Intensitätszwischenstufen eingerichtet werden. Eine über den Strahlquerschnitt unterschiedlich starke Absorption kann mit einem optischen Element aus halbtransparentem Material, das über den Strahlquerschnitt in seiner Dicke (in Durchstrahlrichtung) variiert, leicht eingerichtet werden. Alternativ kann ein Intensitätsprofil auch beispielsweise mit einem diffraktiven optischen Element (DOE) eingerichtet werden.
Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei der der erste Bereich einen größten Durchmesser D aufweist, und die Front des ersten Bereichs von der Front des zweiten Bereichs maximal um 1*D, bevorzugt maximal um 0,5*D, beabstandet ist. Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, bei der der erste Bereich einen größten Durchmesser D aufweist, und die kürzeste Distanz zwischen dem Rand des ersten Bereichs und dem Rand des zweiten Bereichs maximal 1*D, bevorzugt maximal 0,5*D, beträgt. Die kürzeste Distanz zwischen dem Rand des ersten Bereichs und dem Rand des zweiten Bereichs liegt typischerweise in Schweißrichtung (von „Front zu Front“). In diesem Fall kann das Schmelzbad seitlich und hinten (bezogen auf die Schweißrichtung) um den ersten Bereich herum besonders gut verbreitert werden, wodurch Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze reduziert werden können. Da die Vorderfront des Schmelzbades nur wenig Einfluss auf die Spritzerbildung hat, genügt es, diese minimal zu verbreitern. Außerdem ist die Vorderfont des Schmelzbades im herkömmlichen Schweißprozess sehr schmal, d.h. diese hat ein kleines Volumen, sodass eine kleine Erhöhung des Schmelzvolumens in diesem Bereich bereits zu einer deutlichen Reduktion der Strömungsgeschwindigkeiten in der Vorderfront der Schmelze führt. Entsprechend ist die Neigung zu Schweißspritzern vermindert.
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass der zweite Bereich in Schweißrichtung eine Länge L2 aufweist, und dass eine Mitte M1 des ersten Bereichs von einer Mitte M2 des zweiten Bereichs in Schweißrichtung um einen Mittenabstand MA beabstandet ist, mit MA ≥ L2/5, bevorzugt MA ≥ L214, wobei die Mitte M1 des ersten Bereichs in Schweißrichtung vor der Mitte M2 des zweiten Bereichs angeordnet ist. Dadurch ist eine vergleichsweise große Fläche eingerichtet, in der der zweite Laserstrahl einen Energieeintrag in das nachlaufende Schmelzbad vornehmen kann. Dies erleichtert die Verkippung der Dampfkapillare auf das nachlaufende Schmelzbad zu.
Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der die Fokuslage des ersten Laserstrahls bezogen auf die Oberfläche des Werkstücks tiefer liegt als die Fokuslage des zweiten Laserstrahls. Dies verbessert den Energieeintrag in tiefere Abschnitte der Dampfkapillare. Die kann wiederum zu gleichmäßigeren Strömungsverhältnissen und damit weniger Spritzern beitragen.
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass der erste Bereich näherungsweise kreisförmig ausgebildet ist und/oder der zweite Bereich näherungsweise elliptisch ausgebildet ist. Bei dieser Variante können vergleichsweise gleichmäßige Temperaturgradienten und dadurch besonders leicht stabile (insbesondere laminare) Strömungsverhältnisse erhalten werden, was zur Verminderung von Schweißspritzern beiträgt.
Schließlich fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Laserschweißvorrichtung, ausgebildet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen, obigen Verfahrens. Auf der Laserschweißvorrichtung können Werkstückteile besonders spritzerarm miteinander verschweißt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Werkstück bei einem herkömmlichen Tiefschweißverfahren;
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Werkstück bei einer ersten Variante eines Tiefschweißverfahrens gemäß der Erfindung;
3 eine Aufsicht auf den Bereich des Schmelzbades beim Tiefschweißverfahren nach 2
4 einen schematischen Längsschnitt durch ein Werkstück bei einer zweiten Variante eines Tiefschweißverfahrens gemäß der Erfindung, mit gekrümmter Kapillarachse;
5 schematische Aufsichten eines Schmelzbades und zugehörige Intensitätsprofile bei herkömmlichem Tiefschweißverfahren (links) und bei einem erfindungsgemäßen Tiefschweißverfahren (rechts);
6 Aufsicht auf eine Schweißnaht (links), Querschnitt durch die Schweißnaht senkrecht zur Schweißrichtung (Mitte) und Photographie der Spritzer beim Schweißen (rechts) bei einem Referenzprozess mit einem Laserstrahl (Ansicht a) oben) und bei einer erfindungsgemäßen Verfahrensvariante mit zwei Laserstrahlen (Ansicht b) unten);
7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die 1 zeigt in einer schematischen Längsansicht (entlang der Schweißrichtung SR) einen herkömmlichen Tiefschweißprozess, bei dem zwei Teile eines Werkstücks 1 miteinander verbunden werden sollen. Der Längsschnitt liegt genau in der Verbindungsebene der Werkstückteile. Der Schweißprozess ist hier als Durchschweißprozess ausgelegt.
Ein (einziger) Laserstrahl 2 trifft dabei näherungsweise senkrecht auf die Oberfläche 3 des Werkstücks 1, vgl. die Strahlsachse 5. Der Laserstrahl 2 erzeugt im Werkstück 1 eine Dampfkapillare 4, die von einem Schmelzbad 6 von aufgeschmolzenem Werkstückmaterial umgeben ist. Das Schmelzbad 6 umfasst eine Vorderfront 7 (an der Vorderseite 9 der Dampfkapillare 4), in der die Schmelze im Wesentlichen abwärts und entgegen der Schweißrichtung SR seitlich um die Dampfkapillare 4 fließt, und (an der Rückseite 10 der Dampfkapillare 4) ein nachlaufendes Schmelzbad 8. Im nachlaufenden Schmelzbad 8 bildet sich eine Kapillarströmung 13 aus.
Bei ausreichend hoher Schweißgeschwindigkeit neigt sich eine Kapillarachse 11 der Dampfkapillare 4 gegenüber einer Normalen 12 der Werkstückoberfläche 3 weg vom nachlaufenden Schmelzbad 8, also in Schweißrichtung nach vorne. Der Neigungswinkel γ beträgt hier ca. -5°.
Bei einem solchen herkömmlichen Schweißprozess kommt es meist zu erheblichen Auswurf 14 von Schmelztropfen an der Schmelzbadoberfläche nahe der Rückseite der 10 der Dampfkapillare 4.
Die 2 zeigt in einer schematischen Längsansicht (entlang der Schweißrichtung SR) eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Tiefschweißprozesses, bei dem zwei Teile eines Werkstücks 1 miteinander verbunden werden sollen. Der Längsschnitt liegt genau in der Verbindungsebene der Werkstückteile. Der Schweißprozess ist hier wiederum aus Durchschweißprozess ausgelegt. In 3 ist eine zugehörige Aufsicht auf die Oberfläche 3 des Werkstücks 1 gezeigt, in der auch die beiden Werkstückteile 1a, 1b ersichtlich sind. Das Werkstück 1 besteht typischerweise aus einem Stahlwerkstoff.
Die Oberfläche 3 des Werkstücks 1 wird hier von einem ersten Laserstrahl 21, der einen ersten, hier kreisförmigen Bereich 23 der Oberfläche 3 des Werkstücks 1 bestrahlt, und einem zweiten Laserstrahl 22, der einen zweiten, hier elliptischen Bereich 24 der Oberfläche 3 bestrahlt, bearbeitet. Die erste Strahlachse SA1 trifft hier senkrecht auf die Oberfläche 3 des Werkstücks 1. Die zweite Strahlachse SA2 ist gegenüber der ersten Strahlachse SA1 um einen Winkel α entgegen der Schweißrichtung SR (also auf ein nachlaufendes Schmelzbad 8 zu) verkippt; der Winkel α beträgt hier ca. +45°. Die Strahlachsen SA1, SA2 verlaufen in einer gemeinsamen Ebene GE, die auch die Schweißrichtung SR enthält, und kreuzen sich im Inneren der Dampfkapillare 4. Der Fokus des ersten Laserstrahls 21 liegt hier bezüglich der Tiefe im Werkstück 1 in der Mitte der Werkstückdicke, und der Fokus des zweiten Laserstrahls 22 hier an der Werkstückoberfläche 3 (nicht näher dargestellt).
Der erste Laserstrahl 21 besitzt eine ausreichende Intensität, um (allein, bei der gegebenen Schweißgeschwindigkeit SR) im Material des Werkstücks 1 eine Dampfkapillare 4 zu erzeugen. Der zweite Laserstrahl 22 besitzt eine ausreichende Intensität, um das Material des Werkstücks 1 aufzuschmelzen, nicht aber um es zu verdampfen. Der erste Bereich 23 mit (größtem) Durchmesser D liegt hier vollständig innerhalb des zweiten Bereichs 24, wobei die Front (vorderer Rand) des zweiten Bereichs 24 um einen Abstand AB von ca. 0,5*D von der Front (vorderer Rand) des ersten Bereichs 23 beabstandet ist. Vorliegend beträgt der Mittenabstand MA zwischen der Mitte M1 des ersten Bereichs 23 und der Mitte M2 des zweiten Bereichs 24 ca. 0,29*L2, mit L2: Länge des zweiten Bereichs 24 in Schweißrichtung SR. Ein anderer bevorzugter Mittenabstand MA beträgt ca. 0,4*L2.
Durch die Anwendung des zusätzlichen, zweiten Laserstrahls 22 wird das Schmelzbad 6 deutlich größer als es bei Anwendung nur des ersten Laserstrahls 21 wäre. Das gilt sowohl für eine Vorderfront 7, als auch für die Seitenflanken 25, als auch für ein nachlaufendes Schmelzbad 8 des Schmelzbads 6. Dadurch werden die Strömungen im Schmelzbad 6 verlangsamt, insbesondere die Kapillarströmung 13. Vorliegend wird der zweite Bereich 24 zu mehr als 90% vom zweiten Laserstrahl 22 aufgeschmolzen; das nachlaufende Schmelzbad 8 geht sogar am hinteren Ende etwas über den zweiten Bereich 24 hinaus. In der Regel wird im Zusammenspiel beider Laserstrahlen 21, 22 auch die Dampfkapillare 4 insgesamt etwas vergrößert.
Die Laserleistung zumindest des ersten Laserstrahls 21 kann bevorzugt auf Eingangsparameter wie die Fügegeometrie (z.B. Stumpfstoß, Eckstoß, T-Stoß), Vorschubgeschwindigkeit, Material des Werkstücks 1, Materialdicke und/oder Soll-Einschweißtiefe angepasst werden. So kann z.B. bei einem Stumpfstoß die Laserleistung bevorzugt so auf die Vorschubgeschwindigkeit und die Materialdicke eingestellt werden, dass die Länge der Dampfkapillare 4 etwas unter der Materialdicke liegt. Dadurch wird eine Durchschweißung erreicht, ohne dass durch eine zu lange Dampfkapillare 4 zu viel Schmelze an der Unterseite des Werkstücks 1 ausgetrieben wird.
Bevorzugt kann auch die Laserleitung des zweiten Laserstrahls 22 auf Eingangsparameter wie die Fügegeometrie (z.B. Stumpfstoß, Eckstoß, T-Stoß), Vorschubgeschwindigkeit, Material des Werkstücks 1, Materialdicke und/oder Soll-Einschweißtiefe angepasst werden.
Die Intensitäten und ggf. auch die Intensitätsprofile der Laserstrahlen 21, 22 sowie deren Neigungsverhältnisse und die Schweißgeschwindigkeit sind so gewählt, dass bei dem gegebenem Werkstückmaterial die Kapillarachse 11 der Dampfkapillare 4 gegenüber der Normalen 12 der Oberfläche 3 des Werkstücks 1 um einen Winkel γ auf das nachlaufende Schmelzbad 8 zu verkippt ist; vorliegend beträgt γ hier ca. +6°. Eine etwaige Neigung der Kapillarachse 11 in Schweißrichtung, wenn lediglich der erste Laserstrahl 21 angewandt würde (vgl. 1), wird mittels des zweiten Laserstrahls 22 überkompensiert. Der zweite Laserstrahl 22 bestrahlt das nachlaufende Schmelzbad 8 keilförmig, im Wesentlichen entsprechend der Form des nachlaufenden Schmelzbades 8 im Längsschnitt, wobei sich das bestrahlte Volumen nach hinten (entgegen der Schweißrichtung SR) verjüngt.
Da die erste Strahlachse SA1 hier senkrecht zur Oberfläche 3 des Werkstücks 1 verläuft, ist die Kapillarachse 11 ebenfalls um einen Winkel β, mit β von ca. +6°, gegenüber der ersten Strahlachse SA1 auf das nachlaufende Schmelzbad 8 zu verkippt.
Bei der erfindungsgemäßen Verkippung hat sich ein reduzierter Auswurf von Schmelzetröpfchen aus dem Schmelzbad 6 nahe der Rückseite 10 der Dampfkapillare 4 ergeben. Durch die Verkippung verläuft die Rückseite 10 der Dampfkapillare 4 flacher (also stärker auf die Oberfläche 3 hier des nachlaufenden Schmelzbades 8 zu), was möglicherweise zu der Reduzierung beträgt.
Die 4 illustriert im Längsschnitt eines Werkstücks 1 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich wie in 2 dargestellt, so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.
In dieser Variante verläuft die Dampfkapillare 4 in der gemeinsamen Ebene GE mit einer näherungsweise bogenförmigen Krümmung, vgl. den entsprechenden Mittenverlauf (Mittenkurve) 41, der hier der Kapillarachse 11 entspricht. So gekrümmte Kapillarachsen können besonders bei sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten auftreten. Beim Schweißen mit nur einem Laserstrahl neigt sich mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit die Kapillarachse immer stärker und beginnt ab einer gewissen Geschwindigkeit sich zu krümmen. Im erfindungsgemäßen Verfahren tritt durch die Überkompensation des Verkippens der Kapillarachse, zumindest im oberen Bereich, schneller eine gekrümmte Kapillare auf, da sich der untere Bereich dennoch mit steigender Vorschubgeschwindigkeit entgegen dem Schmelzbad neigen kann.
In diesem Fall wird für die Neigungsbestimmung im Sinne der Erfindung der oberste (am nächsten an der Oberfläche 3 des Werkstücks 1 liegende) Teil 40 des Mittenverlaufs 41 der Dampfkapillare 4 herangezogen und dort eine Tangente 42 angelegt. Die Tangente 42 kann dann gegenüber der Normalen 12 der Oberfläche 3 vermessen werden. In der gezeigten Variante beträgt der Winkel γ zwischen der Kapillarachse 11 bzw. der zugehörigen Tangente 42 und der Normalen 12 ca. +6°.
Die erfindungsgemäße Lage der Dampfkapillare 4 bzw. der Kapillarachse 11 kann beispielsweise durch in situ Röntgenaufnahmen (Längsansicht oder Aufsicht), mittels Kurzkohärenz-Interferometrie oder durch Rückschlüsse aus der Messung elektromagnetischer Strahlung aus der Dampfkapillare überprüft werden.
Die 5 illustriert links ein herkömmliches Tiefschweißverfahren a) und rechts eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Tiefschweißverfahrens b) jeweils in Aufsicht auf das Schmelzbad 6, mit zugehörigen Intensitätsprofilen.
Während bei einem herkömmlichen Tiefschweißverfahren a) ein einziger Laserstrahl in Schweißrichtung SR (vgl. x-Achse) und quer dazu (vgl. y-Achse) ein einfaches, hier TopHat-artig dargestelltes Intensitätsprofil aufweist, werden im Rahmen der Erfindung zwei Laserstrahlen überlagert, wodurch zum einen eine Verkippung der Dampfkapillare möglich ist (vgl. hierzu 2, 4), und zum anderen eine gezielte Einstellung eines komplexeren Gesamt-Intensitätsprofils möglich ist. Durch den zweiten Laserstrahl kann in einer zusätzlichen Fläche Energie eingebracht werden, wodurch das Schmelzbad 6 um die Dampfkapillare 4 herum vergrößert wird. Dies verringert aufgrund des Kontinuitätsgesetzes (Fläche*Strömungsgeschwindigkeit=const.) bereits die Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze.
In der gezeigten erfindungsgemäßen Variante von 5, rechte Seite b), ist im Gesamt-Intensitätsprofil in x-Richtung (gezeigt bei y=0, in der Mitte der Dampfkapillare; man beachte, dass die Schweißrichtung entgegen der x-Richtung verläuft) zunächst ein Intensitätssprung von „null“ auf eine erste Intensitätsstufe 51 vorgesehen, die typischerweise durch den Eintritt in den zweiten Bereich, der vom zweiten Laserstrahl beleuchtet wird, bewirkt wird. In einem vorderen Teil 53 bleibt die Intensität I zunächst konstant. Sodann erfolgt ein weiterer Intensitätssprung hoch auf eine zweite Intensitätsstufe 52, die typischerweise mit dem Eintritt in den ersten Bereich, der (auch) vom ersten Laserstrahl beleuchtet wird, einher geht. In einem mittleren Teil 54 bleibt die Intensität I wiederum konstant. Die Intensitätsstufe 52 ist hier ca. 2-mal so stark wie die Intensitätsstufe 51; ein solches Verhältnis (oder auch ein noch größeres Verhältnis) ist im Allgemeinen bevorzugt. Es folgt dann in einem hinterer Teil 55 des Gesamt-Intensitätsprofils ein hier linearer Abfall der Intensität I. Die Intensität I vorne am hinteren Teil 55 entspricht hier der Intensität I im mittleren Teil 54, so dass ein stetiger Übergang der Intensität I (ohne Intensitätssprung) eingerichtet ist. Die Intensität I fällt am Ende des hinteren Teils 55 schließlich auf „null“ ab.
Das Schweißbad 6 erstreckt sich typischerweise noch etwas über das Ende des hinteren Teils 55 hinaus, je nach Lasereinstellungen, Schweißgeschwindigkeit und Werkstückmaterial. Der hintere Teil 55 liegt hier im zweiten Bereich, der vom zweiten Laserstrahl beleuchtet wird, kann aber auch teilweise im ersten Bereich liegen, der (auch) vom ersten Laserstrahl beleuchtet wird. Vorliegend umfasst der hintere Teil 55 ca. 30% der Länge SL des nachlaufenden Schweißbades 8; im Allgemeinen ist es bevorzugt, wenn der hintere Teil 55 wenigstens 30%, bevorzugt wenigstens 50% der Länge SL umfasst.
Im Intensitätsprofil in y-Richtung (gezeigt bei x=0, wobei x,y=0 in der Mitte der Dampfkapillare 4 liegt) ist ein eine zentrale Intensitätsstufe 56 vorgesehen, typischerweise entsprechend dem ersten Bereich, der (auch) vom ersten Laserstrahl beleuchtet wird. Darum ist beiderseits jeweils eine äußere Intensitätsstufe 57 eingerichtet, die typischerweise dem zweiten Bereich, der vom zweiten Laserstrahl beleuchtet wird, entspricht.
Man beachte, dass für die Einrichtung zumindest hinteren Teils 55 ein optisches Element in wenigstens einem der Laserstrahlen eingesetzt wird (vgl. dazu 7), das eine entsprechende Intensitätsverteilung bewirkt, etwa durch im Strahlquerschnitt lokal unterschiedliche Absorption.
In 6 werden experimentelle Ergebnisse zu einem Referenzprozess mit einem Laserstrahl (Ansicht a) oben) und zu einem erfindungsgemäßen Tiefschweißprozess (Ansicht b) unten) gezeigt.
Im beiden Prozessen wurde jeweils eine Probe aus austenitischem Stahl (Typ 1.4541), Probendicke 4 mm, geschweißt. Für die Referenzprobe wurde lediglich ein Scheibenlaser (TruDisk 5000.75) mit Spotdurchmesser von 274 µm und einer Fokuslage vom -2 mm eingesetzt, Wellenlänge 1030 nm, Laserleistung 4 kW, Winkel δ gegenüber der Oberflächennormalen 0° (d.h. senkrecht zur Werkstückoberfläche). Im erfindungsgemäßen Tiefschweißprozess wurde dazu zusätzlich ein Diodenlaser (LDM 3000) mit einem elliptischen Beleuchtungsbereich von 2,5 mm Länge (in Schweißrichtung) und 1,8 mm Breite eingesetzt, Wellenlänge 980 nm und mit einer Fokuslage von 0 mm (Fokus in der Werkstückoberflächenebene), Laserleistung 2 kW, Winkel α gegen die Oberflächennormale 45° (auf das nachlaufende Schmelzbad zu geneigt), Mittenabstand der Laserstrahlen 1 mm. Die Schweißgeschwindigkeit betrug in beiden Fällen 18 m/min; für beide Prozesse wurde eine Durchschweißung erreicht. Der Neigungswinkel γ der Dampfkapillare gegenüber der Oberflächennormalen wurde für den erfindungsgemäßen Tiefschweißprozess zu ca.+5° abgeschätzt.
Im jeweils linken Bild ist eine Aufsicht auf die gefertigte Schweißnaht zu sehen. Beim erfindungsgemäßen Tiefschweißprozess ist die Schweißnaht etwas breiter, jedoch sind deutlich weniger Reste von Schweißspritzern auf der Werkstückoberfläche zu sehen. Die insbesondere im oberen Teil der Schweißnaht größere Breite beim erfindungsgemäßen Tiefschweißprozess ist auch in den Querschnitten (jeweils mittleres Bild) erkennbar. Im jeweils rechten Bild ist die Schweißspritzerbildung in situ gezeigt, oberhalb der gestrichelten Linie für oberhalb des Werkstücks, und unterhalb des gestrichelten Bildes unterhalb des Werkstücks („Footage“-Aufnahmen). Im Referenzprozess ist die Spritzerbildung an der Werkstückoberseite sehr stark ausgeprägt, während im erfindungsgemäßen Tiefschweißprozess nur wenige Schweißspritzer an der oberhalb des Werkstücks erkennbar sind. An der Werkstückunterseite ist die Spritzerbildung ähnlich.
Die 7 zeigt den grundsätzlichen Aufbau für eine typische Laserschweißvorrichtung 70 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Vorrichtung 70 umfasst eine erste Strahlquelle 71, die über eine Lichtleitfaser einen ersten Laserstrahl 21 zu einer Abbildungsoptik 72 leitet, mit der der Laserstrahl 21 auf die Oberfläche 3 eines zu schweißenden Werkstücks 1 (oder kurz darunter) fokussiert wird. In die Abbildungsoptik 72 integriert ist hier auch ein optisches Element 73, mit welchem dem ersten Laserstrahl 21 im Querschnitt ein gewünschtes, nicht rotationssymmetrisches Intensitätsprofil aufgeprägt werden kann. Typischerweise ist das optische Element 73 zwischen einer Kollimieroptik und einer Fokussieroptik der Abbildungsoptik 72 angeordnet. Der erste Laserstrahl 21 fällt hier senkrecht auf die Werkstückoberfläche 3.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 70 eine zweite Strahlquelle 74, die über eine Lichtleitfaser einen zweiten Laserstrahl 22 zu einer Abbildungsoptik 75 leitet, mit der der Laserstrahl 22 auf die Oberfläche 3 des Werkstücks 1 (oder kurz darunter) fokussiert wird. In die Abbildungsoptik 75 ist hier ebenfalls ein optisches Element 76 integriert, mit welchem dem zweiten Laserstrahl 22 im Querschnitt ein gewünschtes, nicht rotationssymmetrisches Intensitätsprofil aufgeprägt werden kann. Typischerweise ist das optische Element 76 zwischen einer Kollimieroptik und einer Fokussieroptik der Abbildungsoptik 75 angeordnet. Der zweite Laserstrahl 22 fällt hier unter einem Winkel von ca. 50° gegenüber der Oberflächennormalen auf die Werkstückoberfläche 3, weggeneigt von einer Schweißrichtung SR.
Durch die beiden Laserstrahlen 21, 22 wird eine von der Schweißrichtung SR weg geneigte Dampfkapillare im Werkstück 1 eingerichtet (nicht näher dargestellt, vgl. hierzu 2).
Man beachte, dass alternativ auch eine einzige Strahlquelle für beide Laserstrahlen eingesetzt werden kann, wobei dann entsprechende Strahlanteile aufgetrennt werden, etwa mittels einer Strahlteilerplatte (nicht näher dargestellt).
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
1a, 1b: Teil (Werkstück)
2: Laserstrahl
3: Oberfläche (Werkstück)
4: Dampfkapillare
5: Strahlachse
β: Schmelzbad
7: Vorderfront (Schmelzbad)
8: nachlaufendes Schmelzbad
9: Vorderseite (Dampfkapillare)
10: Rückseite (Dampfkapillare)
11: Kapillarachse
12: Normale der Werkstückoberfläche
13: Kapillarströmung
14: Auswurf
21: erster Laserstrahl
22: zweiter Laserstrahl
23: erster Bereich
24: zweiter Bereich
25: Seitenflanke
40: oberster Teil (Kapillarachse/Mittenverlauf)
41: Mittenverlauf/Mittenkurve
42: Tangente
51: erste Intensitätsstufe
52: zweite Intensitätsstufe
53: vorderer Teil (Intensitätsprofil)
54: mittlerer Teil (Intensitätsprofil)
55: hinterer Teil (Intensitätsprofil)
56: zentrale Intensitätsstufe
57: äußere Intensitätsstufe
70: Laserschweißvorrichtung
71: erste Strahlquelle
72: Abbildungsoptik
73: optisches Element
74: zweite Strahlquelle
75: Abbildungsoptik
76: optisches Element
AB: kleinster Abstand (Rand erster Bereich zu Rand zweiter Bereich)
D: Durchmesser (erster Bereich)
GE: gemeinsame Ebene
L2: Länge des zweiten Bereichs
MA: Mittenabstand
M1: Mitte erster Bereich
M2: Mitte zweiter Bereich
SA1: erste Strahlachse
SA2: zweite Strahlachse
SL: Länge nachlaufendes Schmelzbad
SR: Schweißrichtung
α: Winkel zweite Strahlachse gegen erste Strahlachse
β: Winkel Kapillarachse gegen erste Strahlachse
γ: Winkel Kapillarachse gegen Oberflächennormale

Claims

Verfahren zum Tiefschweißen eines Werkstücks (1), wobei ein erster Laserstrahl (21) einen ersten Bereich (23) der Oberfläche (3) des Werkstücks (1) bestrahlt und ein zweiter Laserstrahl (22) einen zweiten Bereich (24) der Oberfläche (3) des Werkstücks (1) bestrahlt, wobei der erste Bereich (23) kleiner als der zweite Bereich (24) ist und der erste Bereich (23) vollständig vom zweiten Bereich (24) überlappt wird, wobei der erste Laserstrahl (21), nicht aber der zweite Laserstrahl (22), eine Intensität (I) aufweist, die zur Ausbildung einer Dampfkapillare (4) ausreicht, und wobei eine erste Strahlachse (SA1) des ersten Laserstrahls (21) und eine zweite Strahlachse (SA2) des zweiten Laserstrahls (22) zueinander geneigt verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlachse (SA1), die zweite Strahlachse (SA2) und eine Schweißrichtung (SR) in einer gemeinsamen Ebene (GE) verlaufen, dass die zweite Strahlachse (SA2) gegenüber der ersten Strahlachse (SA1) um einen Winkel α auf das dem ersten Bereich (23) nachlaufende Schmelzbad (8) zu geneigt ist, dass eine Kapillarachse (11) der Dampfkapillare (4) gegenüber der ersten Strahlachse (SA1) um einen Winkel β auf das nachlaufende Schmelzbad (8) zu geneigt ist, und dass die Kapillarachse (11) gegenüber einer Normalen (12) der Oberfläche (3) des Werkstücks (1) um einen Winkel γ auf das nachlaufende Schmelzbad (8) zu geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlachse (SA1) senkrecht auf die Oberfläche (3) des Werkstücks (1) trifft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel α gilt: 30° ≤ α ≤ 60°, bevorzugt 40° ≤ α ≤ 50°.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel β gilt: 2° ≤ β ≤ 20°, bevorzugt 3° ≤ β ≤ 10°.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ gilt: 2° ≤ γ ≤ 20°, bevorzugt 3° ≤ γ ≤ 10°.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein gemeinsames Intensitätsprofil von erstem und zweitem Laserstrahl (21, 22) auf der Oberfläche (3) des Werkstücks (1) gilt, dass in einem hinteren Teil (55), der das nachlaufende Schmelzbad (8) zumindest teilweise umfasst, bevorzugt mindestens 50% einer Länge SL des nachlaufenden Schmelzbades (8) umfasst, die Intensität (I) entgegen der Schweißrichtung (SR) kontinuierlich abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem hinteren Teil (55) die Intensität (I) entgegen der Schweißrichtung (SR) näherungsweise linear abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für das gemeinsame Intensitätsprofil weiterhin gilt, dass in einem mittleren Teil (54), der die Dampfkapillare (4) zumindest teilweise umfasst, die Intensität (I) in Schweißrichtung (SR) näherungsweise konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im gemeinsamen Intensitätsprofil der mittlere Teil (54) und der hintere Teil (55) aneinander anschließen, wobei die Intensität (I) am Übergang von mittlerem Teil (54) und hinterem Teil (55) näherungsweise stetig verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des ersten Laserstrahls (21) und/oder im Strahlengang des zweiten Laserstrahls (22) vor dem Werkstück (1) ein optisches Element (73, 76) angeordnet wird, durch das dem jeweiligen Laserstrahl (21, 22) ein bezüglich der jeweiligen Strahlachse (SA1, SA2) nicht rotationssymmetrisches Intensitätsprofil aufgeprägt wird, insbesondere wobei der jeweilige Laserstrahl (21, 22) über den Strahlquerschnitt unterschiedlich stark absorbiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (23) einen größten Durchmesser D aufweist, und dass die Front des ersten Bereichs (23) von der Front des zweiten Bereichs (24) maximal um 1*D, bevorzugt maximal um 0,5*D, beabstandet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (24) in Schweißrichtung (SR) eine Länge L2 aufweist, und dass eine Mitte M1 des ersten Bereichs (23) von einer Mitte M2 des zweiten Bereichs (24) in Schweißrichtung (SR) um einen Mittenabstand MA beabstandet ist, mit MA ≥ L2/5, bevorzugt MA ≥ L214, wobei die Mitte M1 des ersten Bereichs (23) in Schweißrichtung (SR) vor der Mitte M2 des zweiten Bereichs (24) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslage des ersten Laserstrahls (21) bezogen auf die Oberfläche (3) des Werkstücks (1) tiefer liegt als die Fokuslage des zweiten Laserstrahls (22).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (23) näherungsweise kreisförmig ausgebildet ist und/oder der zweite Bereich (24) näherungsweise elliptisch ausgebildet ist.
Laserschweißvorrichtung (70), ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.