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Die Erfindung betrifft Laserschweißverfahren für zu verschweißende Teile mit einer Korrosionsschutzschicht.
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Es werden verschiedenste Schweißverfahren eingesetzt, um Bleche oder andere Teile miteinander zu verbinden. Laserschweißen ist ein Schweißverfahren, das Vorteile bietet, wie die Fähigkeit, von einer Seite zu schweißen, ohne dass ein Zugang zur Rückseite der zu verschweißenden Teile erforderlich ist, wie es für das Punkt- oder Widerstandsschweißen erforderlich ist. Laserschweißen kann auch ohne Fülldraht wie beim manuellen Inertgas-(MIG-) oder Wolfram-Inertgas (WIG)-Schweißen durchgeführt werden. Das Laserschweißen eliminiert die Wartung von Schweißspitzen, Elektroden und Brennern.
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Das Verschweißen von Teilen mit einer Korrosionsschutzschicht aus Zink oder auf Zinkbasis ist problematisch für das Laserschweißen, da die Beschichtung einen niedrigeren Schmelzpunkt als ein Stahlsubstratblech hat. Wenn die Beschichtung während des Laserschweißens erwärmt wird, verdampft sie und entwickelt Rauchfahnen und gasförmige Emissionen. Rauchfahnen werden aus dem Laserstrahlverlauf durch Blasen von Luft über den Schweißbereich entfernt. Gasförmige Emissionen aus dem Verdampfen der Beschichtung auf der Oberfläche von zwei Teilen, aufeinanderliegend, in flächenmäßiger Anordnung zusammengebaut werden, müssen zwischen den Blechen entweichen können, sonst können gasförmige Emissionen durch die geschmolzene Laserschweißnaht geblasen werden und Porosität der Schweißnaht bewirken.
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Es wurde vorgeschlagen, eine Reihe von Vorsprüngen oder Erhebungen zwischen den Blechen durch Verwendung des „Hügelbildungseffekts "zu schaffen, wobei ein Laser zur Erwärmung der Innen-Oberfläche eines der beiden zu verbindenden Bleche eingesetzt wird.. Nachdem die Bleche mit den Vorsprüngen zwischen den Bleche einander gegenüberliegend angeordnet sind, wird eine Lasertiefschweißnaht durch eine Seite der Baugruppe gebildet, während die Ausgasung von der Beschichtung durch den Raum zwischen den Bleche, der durch die hügelartigen Vorsprünge erzeugt wird, emittiert wird. Ein Problem bei hügelartigen Erhebungen besteht darin, dass es schwierig ist, die Höhe der Hügel konsequent zu steuern.
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Ein weiteres Problem bei Laserschweißen von Blechen, die in flächenmäßiger Beziehung angeordnet sind, ist, dass die Schweißnaht eine erhöhte Porosität an ihrem Ende aufweisen kann. Porosität einer Schweißnaht ist inakzeptabel, wenn die Porosität mehr als eine bestimmte Länge der Schweißnaht beeinflusst. Laserschweißwülste, die Punktschweißungen ersetzen, sind im Allgemeinen C-förmig mit einem Durchmesser von weniger als 9 mm und einer Länge der Krümmung von 25 mm. Wenn übermäßige Porosität auftritt, reicht der Platz nicht zum Verlängern der C-förmigen Schweißnaht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, das Ausgasen von Beschichtungen zu erleichtern und die Schweißqualität durch Verringerung der Schweißnahtporosität zu verringern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Schweißnaht nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Verschweißen eines ersten mit einem zweiten Teil offenbart. Eine Distanzwulst wird zuerst auf dem ersten Teil gebildet, indem ein Laserstrahl auf eine Seite des ersten Teils gerichtet wird. Das zweite Teil wird mit der einen Seite des ersten Teils montiert. Das zweite Teil wird dann mit dem ersten Teil verschweißt, indem ein zweiter Laserstrahl in einem Muster von Teil-Kreisabschnitten neben die Abstandswulst geführt wird, wobei ein Ende einer Schweißnaht radial zum teilkreisförmigen Muster angeordnet wird und einen Endabschnitt hat, der radial innerhalb des teilkreisförmigen Musters endet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren auch das Vorsehen einer Beschichtung auf mindestens einem der beiden Teile umfassen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Teil liegt, wenn diese im Montageschritt zusammengebaut werden, und das Abdampfen der Beschichtung aus dem Zwischenraum zwischen den beiden durch Distanzwülste beabstandeten Teilen.
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Das Ausbilden eines Distanzwulstes kann durchgeführt werden, indem der erste Laserstrahl auf voneinander getrennte Stellen auf die eine Seite gerichtet wird, um viele erhabene, voneinander beabstandete Bereiche zu bilden. Der Schritt des Verschweißens des zweiten Teils mit dem ersten Teil kann durchgeführt werden, indem der zweite Laserstrahl auf einem teilkreisförmigen Pfad außerhalb der beabstandeten erhabenen Bereiche geführt wird, wobei der Endabschnitt innerhalb der teilkreisförmigen Pfades ausgebildet ist.
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Der Schritt des Bildens eines Abstandshalterwulstes kann durchgeführt werden, indem der erste Laserstrahl in einem C-förmigen Pfad unter Ausbildung eines C-förmigen Wulstes geführt wird.. Der Schritt des Verschweißens des zweiten Teils mit dem ersten Teil kann durchgeführt werden, indem der zweite Laserstrahl in einem teilkreisförmigen Pfad außerhalb des C-förmigen Schweißwulstes geführt wird, wobei der Endabschnitt innerhalb des C-förmigen Wulstes ausgebildet wird.
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Der Schritt der Herstellung einer Abstandshalterwulst kann durchgeführt werden, indem der erste Laserstrahl auf einem ersten C-förmigen Pfad geführt wird und einen ersten C-förmigen Wulst bildet, und durch Führen des ersten Lasers in einem zweiten C-förmigen Pfad radial außerhalb des ersten C-förmigen Pfades, um einen zweiten C-förmigen Wulst zu bilden. Der Schritt des Verschweißens des zweiten Teils mit dem ersten Teil kann erfolgen, indem der zweite Laserstrahl auf einem Teilkreis-Pfad zwischen dem ersten und zweiten C-förmigen Wulst geführt wird, wobei der Endabschnitt des Schweißwulstes innerhalb des ersten C-förmigen Wulstes ausgebildet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Schweißnaht offenbart, die erste und zweite Teile miteinander verbindet. Die Schweißnaht umfasst eine an einer Seite des ersten Teils ausgeformte Distanzwulst und eine den zweiten Teil mit dem ersten Teil verbindende Schweißwulst. Der Schweißwulst enthält einen teilkreisförmigen Schweißnahtabschnitt, der den Distanzwulst teilweise umgibt, wobei ein Endbereich der Schweißnaht radial innerhalb des teilkreisförmigen Schweißnahtabschnitts verläuft und dort endet.
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Der Abstandshalterwulst kann mehrere beabstandete erhöhte Bereiche umfassen und der teilkreisförmige Schweißnahtabschnitt kann sich um die beabstandeten erhabenen Bereiche herum erstrecken, wobei sich der Endabschnitt radial in den teilkreisförmigen Schweißnahtabschnitt erstreckt.
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Der Abstandshalterwulst kann ein erster C-förmiger Wulst sein und der teilkreisförmige Schweißnahtabschnitt kann sich um den C-förmigen Wulst erstrecken, wobei sich der Endabschnitt radial in den C-förmigen Wulst erstrecken kann.
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Der Abstandshalter kann ein erster C-förmiger Wulst sein. Ein zweiter C-förmiger Wulst kann vorgesehen werden, der außerhalb konzentrisch mit und sodann radial zum ersten C-förmigen Wulst angeordnet wird. Der teilkreisförmige Schweißnahtabschnitt kann zwischen dem inneren und dem äußeren C-förmigen Wulst angeordnet werden und der Schweißnahtendabschnitt kann sich radial in den ersten C-förmigen Wulst erstrecken.
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Die obigen Ausführungsform der Erfindung und andere Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Fahrzeugtürrahmens mit Schweißstellen auf der Baugruppe.
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2 eine perspektivische Explosionsansicht der Fahrzeugtürrahmenbaugruppe.
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3 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Remote-Laserschweißwerkzeugs.
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4 ein Programmschema für die Herstellung von drei erhabenen Abstandshaltererhebungen auf einem Blech.
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5 eine Draufsicht auf die drei erhabene Abstandshalternäpfe, die unter Verwendung des Programmschemas der 4 gebildet wurden.
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6 ein Diagramm der Laser-Ausgangsleistung in Watt, wenn der Laser einen 2mm-Napf auf einem Blech bildet.
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7 ein Programmschema zur Herstellung eines inneren und eines äußeren C-förmigen Abstandhalters auf einer Blech.
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8 eine Draufsicht auf den inneren und äußeren C-förmigen Abstandshalter auf einem Blech, die mit dem Programmschema von 7 ausgebildet wurden;.
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9 ein Programmschema für eine G-förmige Laserschweißwulst zum Verbinden von Blechen unter Herstellung einer Baugruppe.
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10 eine Fotografie der G-förmigen Laserschweißwulst auf einem Blech, die nach dem Programmschema der 9 hergestellt wurde, und.
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11 ein Programmdiagramm für eine G-förmige Laserschweißwulst auf einem Außenblech, das von einem Programmierdiagramm zur Herstellung von drei erhabenen Abstandshaltern auf einem Innenblech überlagert ist.
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Die dargestellten Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Selbstverständlich sind die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich und einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um Einzelheiten einzelner Komponenten zu zeigen. Die offenbarten spezifischen strukturellen und funktionellen Details sind nicht einschränkend zu verstehen, sondern als repräsentative Grundlage für die Unterrichtung eines Fachmanns, wie die offenbarten Konzepte praktiziert werden.
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In 1 ist ein Teil eines Fahrzeugs 10 mit einem Türrahmen 12, der eine Türöffnung 14 des Fahrzeugs begrenzt, gezeigt. In diesem Beispiel sind viele Schweißstellen 16, die zur Montage des Türrahmens 12 verwendet werden, gezeigt. Ein Teil des Türrahmens wird allgemein als "A-Säule" 18 bezeichnet.
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In 2 sind Teile des Türrahmens 12 in Explosionsansicht gezeigt, um die Komponenten des Türrahmens 12 besser zu veranschaulichen. Eine Frontschiene 20 aus innenhochdruckumgeformtem Rohr verstärkt die A-Säule (in 1 gezeigt). Andere Teile der A-Säule 18 umfassen ein Dachschienenblech 22 und ein Windlaufblech 24. Die innenhochdruckumgeformte rohrförmige Frontschiene 20 erstreckt sich zur "B-Säule" 26.
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In 3 ist ein Remote-Laserkopf 30 gezeigt, der für die Herstellung von Laserschweißnähten am Fahrzeug 10 eingesetzt werden kann. Laserlicht wird durch einen Laserlichtleiterkabelempfänger 32 von einem entfernten Ort empfangen. Viele Pointerdioden 36 sind zhur Ausrichtung des Laserlichtstrahls vorgesehen. Zur Kollimation des Laserlichtstrahls ist eine Schutzglasschublade 38 vorgesehen. Einstellungen des Laserstrahls in Z-Richtung (vertikal) werden durch einen in Z-Richtung verschiebenden Linearmotor 40 durchgeführt. X- und Y-Spiegelscanner 42 sind vorgesehen, um die Bewegung des Laserstrahls in X- und Y-Richtung zu steuern. Eine Fokussierlinse 44 fokussiert den Laser auf das zu schweißende Objekt. Eine Schutzglasschublade 46 für die fokussierende Optik ist vorgesehen, um die fokussierende Linse 44 abzudecken. Ein Luft- Crossflow-Strahl 48 wird verwendet, um einen Luftstrom über den Laserlichtstrahl zu leiten und jegliche Rauch- oder Gasfahne aus dem Laserstrahlverlauf zu entfernen.
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In 4 werden Laserpfaddiagramme 50A, 50B und 50C gezeigt, welche die Steuerung des Lasers für eine gesteuerte Durchquerung der Innenoberfläche eines Blechs 52 zeigen. Die Laserpfaddiagramme 50A, 50B und 50C haben eine Länge von etwa 2 mm und sind als beabstandete Teil-Seiten einer Dreiecks-Fläche angeordnet.
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In 5 sind viele erhabene Näpfe 54A, 54B und 54C auf einem Blech 52 gezeigt. Die Höhe der erhabenen Näpfe wird in 6 gesteuert.
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In 6 ist eine Reihe von Leistungsversatz-Auftragungen 56 dargestellt, um zu zeigen, wie die Leistung des Lasers für die Ausbildung der drei erhabenen Näpfe 54A–54C gesteuert wird.. Jede Leistungsversatzauftragung 56 zeigt, daß der Laser zuerst mit einer Leistungsspitze von bspw. 6000 Watt versorgt wird, wonach die Leistung nach einer Bewegung von 1 mm auf etwa 1000 Watt verringert wird. Im zweiten Millimeter steigt die Laserausgangsleistung wieder auf bspw. 6000 W an, bis sie einen Gipfel erreicht, woraufhin die Leistungsabgabe des Lasers auf 0 W reduziert wird. Der Vorgang wird dreimal widerholt, um die drei erhabenen Näpfe 54A–54C kontrollierter Höhe zu schaffen.
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In 7 ist ein Laserpfaddiagramm zur Ausbildung eines inneren und eines äußeren C-förmigen Abstandshalters 60 gezeigt. Der konzentrische Doppel-C-förmige Abstandshalter 60 wird durch anfängliches Verfolgen des äußeren C-förmigen Pfads 60A gebildet, wobei der Laser viele gesteuerte Impulse emittiert. Das Laserpfaddiagramm 60A wird am oberen Ende des äußeren C eingeleitet und bewegt sich entgegen dem Uhrzeigersinn, bis es das untere Ende des äußeren C erreicht. An diesem Punkt wird der Laserstrahl zum inneren C-förmigen Pfad 60B am oberen Ende des inneren C umgelenkt und dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn, bis er das untere Ende des inneren C erreicht. Wenn Bleche mit dem Doppel-C-förmigen Abstandshalter 62 (in 8 gezeigt) zusammengeschweißt werden, liegt die Verbindungsschweißnaht zwischen dem äußeren und dem inneren C-förmigen Abstandshalter 62A und 62B.
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In 8 ist ein doppelt C-förmiger Abstandshalter 62 gezeigt, wie er auf der Innenoberfläche eines der zu montierenden Bleche ausgebildet ist. Der äußere C-förmige Abstandshalter 62A und der innere C-förmige Abstandshalter 62B bilden den doppelt-C-förmigen Abstandshalter 62.
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In 9 ist ein Laserpfaddiagramm 64 zur Herstellung einer G-förmigen Laserschweißnaht 66 dargestellt. Die G-förmige Laserschweißnaht 66 die innerhalb der C-förmigen Abstandshalter 62A und 62B gebildet wird, ist in 10 gezeigt. Ein Endabschnitt 68 ist an der G-förmigen Laserschweißnaht 66 ausgebildet. Bei C-förmigen Laserschweißnähten des Standes der Technik ist der Endabschnitt 68 der letzte Teil der ausgebildeten Schweißnaht und neigt zu erhöhter Porosität und Schweißunvollkommenheiten. Mit der G-förmigen Schweißnaht 66 wird das Ende des unterlaufenden Schweißabschnittes in den Endabschnitt 68 der G-förmigen Laserschweißnaht 66 geführt.
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Eines der Probleme, mit denen das offenbarte Schweißverfahren konfrontiert ist, besteht darin, dass unterschiedliche Materialien in Materialstapeln verwendet werden. Z.B. kann das Außenblech von an der Karosserie-Innenseite angeschweißten Blechen 0,7 mm feuerverzinkter Weichstahl (HDGI) sein. Die Karosserie-Innenbaugruppe kann bspw. unbeschichteten DP800 Stahl und DP800 HDGI (galvanisierter hochfester Stahl); DP1000 (unbeschichteter hochfester Stahl); Hochfester niedriglegierter 340 (HSLA) Stahl; Borstahl M1A37; Mart 1100 und feuerverzinkten (HDG) Weichstahl aufweisen.
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Die Ausrüstung, die zujm Einsatz des Remote Lasers 30 einsetzt wird, umfasst einen HIGHYAG-Remote-Scannerkopf, ein HIGHYAG-EPS (Elektrisch-pneumatisches Installationssystem) zur Steuerung des Laserkopfes, einen 6000-Watt-Laser und eine programmierbare Steuerung.
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Die Parameter zur Steuerung des Remote-Lasers 30 umfassen die Laserleistung, die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls und die Leistungsrampe Ein / Aus, wenn der erhabene Napf ausgebildet wird, ebenso wie die G-förmige Laserschweißnaht. Kritische Faktoren, die das Verfahren beeinträchtigen, umfassen den Fahnenunterdrückungscrossflow, um den Laserstrahlweg sauber zu halten, die Kontrolle der Napfhöhe und auch die Lage der Näpfe. Andere Faktoren umfassen die Teilemontage, wenn zwei Bleche zum Schweißen zusammenmontiert werden, und den Brennfleck des Remote-Lasers 30.
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Die Fahne ist eine Plasmawolke, die aus dem flüssigen Schweißbad über der durch den Laser gebildeten Dampfkapillare (keyhole) beim Schweißen emittiert wird. Die Plasmawolke absorbiert Laserenergie und verringert die an das Werkstück abgegebene Leistung, was zu geringerer Penetration führt. Der Crossflow 48 lenkt einen Luft- oder anderen Gasstrom über die Schweißnaht und schiebt die Fahne aus dem Laserstrahlverlauf. Die Fahnenunterdrückung ist nicht immer notwendig, sie verringert jedoch uneinheitliche Energieabsorption und führt zu einer gleichmäßigeren Schweißnahtqualität. Eine erfolgreiche Fahnenunterdrückung führt zu einer zuverlässigeren Qualität und Penetration. Ein Schlüsselfaktor für die Fahnenunterdrückung ist ein gleichmäßiger Luftstrom aus dem crossflow-Strahl 48.
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In der in 10 gezeigten G-förmigen Laserschweißnaht 66 haben die Schweißwülste 66 bspw. einen Durchmesser von 9 mm und eine Länge von 25 mm. Wenn 80% der 25 mm-Schweißnaht unporös sind, wird die Schweißnaht als akzeptabel betrachtet. Durch das Ausbilden einer G-förmigen Schweißnaht liegt das Ende der Schweißnaht innerhalb des teilkreisförmigen Umfangs der Schweißnaht und kann verlängert werden, um sicherzustellen, daß 80% der Länge der Schweißnaht unporös sind, was zu einer akzeptablen Schweißnaht führt.
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Um erhabene Napf-Abstandshalter vorzusehen wird eine Innenseite von zwei zu verbindenden Blechen mit einem oder mehreren Näpfen kontrollierter Höhe versehen, um Ausgasen von Zinkgas aus verzinkenden Beschichtungen zu ermöglichen. Um die durch Laser hergestellten erhöhten Näpfe zu bilden, wird der Laser schnell gebrannt, um die Oberfläche etwa 0,1 mm bis 0,15 mm anzuheben. Die Lage der Näpfe relativ zur nachfolgend gebildeten Schweißnaht, welche die beiden Bleche verbindet, ist entscheidend für eine erfolgreiche Ausgasung und die Porositätsprävention.
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Bei Herstellung der inneren und äußeren C-förmigen Abstandshalter 62A und 62B kann der Ansatz besonders vorteilhaft für Materialien wie galvanisiertes HSLA340 sein. HSLA340 ist ein Borstahl, der flüchtiger als andere Stahlsorten ist.
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Erfindungsgemäß kann ein Remote-Laserschweißgerät eingesetzt werden, um Schweißnähte in einer Hochgeschwindigkeitsfabrik-Umgebung herzustellen. Die Klemm- und Stanzqualität muss so gesteuert werden, dass eine Teilepassung zwischen 0,1 mm und 0,3 mm Abstand über die gesamte Schweißoberfläche gewährleistet wird, um eine akzeptable Schweißqualität zu erreichen. Beschichtete Materialien, mit galvanisierten Beschichtungen oder anderen Beschichtungen auf Zinkbasis versehen, benötigen die Ausbildung von erhabenen Näpfen oder andere Abstandshalter, um einen Ausgasungsweg zu bieten und Ausgasung durch die geschmolzene Schweißnaht zu verhindern. Es wurde festgestellt, daß das Remote-Laserschweißen mindestens dreimal mehr Schweißungen in einem einzigen Stationszyklus durchführen kann, wie herkömmliches Widerstandspunktschweißen. Das Remote-Laserschweißen ermöglicht auch eine Produktgestaltung bei einseitigem Zugang zu Schweißstellen und eliminiert strukturelle Schwachstellen, die durch rückwärtige Zugangslöcher verursacht werden
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Die beschriebenen Ausführungsformen sind spezifische Beispiele, die keineswegs alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die Merkmale der veranschaulichten Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der offenbarten Konzepte zu bilden. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind lediglich beschreibend und nicht begrenzend zu verstehen. Der Umfang der beigefügten Ansprüche ist breiter als die speziell offenbarten Ausführungsformen und schließt auch Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen ein.
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Bezugszeichenliste
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 12
- Türrahmen
- 14
- Türöffnung
- 16
- Schweißstelle
- 18
- A-Säule
- 20
- Schweißpunkte
- 20
- IHU Frontrohr
- 22
- Dachanschlussblech
- 24
- Windlaufblech
- 26.
- B-Säule
- 30
- Remote Laser
- 32
- Laserlichtkabelempfänger
- 36
- Pointer Dioden
- 38
- Schutzglasschublade
- 40
- Linearmotor
- 42
- Scanner Spiegel
- 44
- Fokussierende Linse
- 48
- cross-flow
- 50A, 50B, 50C
- Laserpfad-Diagramm
- 52
- Blech
- 54A, 54B, 54C
- Näpfe auf Blech 52
- 56
- Leistungsversatz-Auftragung
- 60
- C-förmiger Abstandsschweißwulst
- 60A & 60B
- äußerer und innerer C-förmiger Abschnitt von 60
- 62A und 62B
- äußere und innere C-förmige Abstandsschweißwülste
- 64
- Laserpfad
- 66
- G-förmige Laserschweißnaht
- 68
- Endabschnitt von 66
