DE102018120523A1

DE102018120523A1 - Laserstrahllöten von metallischen Werkstücken mit einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Fülldraht

Info

Publication number: DE102018120523A1
Application number: DE102018120523.6A
Authority: DE
Inventors: David Yang; Justin Wolsker; Blair Carlson; Wu Tao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN109420812A; US20190061053A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserstrahllöten einer Metallwerkstückanordnung entlang einer Verbindungsnaht, die zwischen einem ersten Metallwerkstück und einem zweiten Metallwerkstück hergestellt wird, umfasst das Vorschieben eines Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht, während ein Fülldraht in den Laserstrahl eingeführt wird, um ein vorderes Ende des Fülldrahts, das durch den Laserstrahl beaufschlagt wird, zu schmelzen, um geschmolzenes Füllmaterial innerhalb und entlang der Verbindungsnaht herzustellen und abzugeben. Das dosierte geschmolzene Füllmaterial verfestigt sich hinter dem Laserstrahl zu einer Lötverbindung. Zudem wird im Zuge des Verfahrens die Position eines Brennpunktes des Laserstrahls in Bezug auf das vordere Ende des Fülldrahtes während des Vorschubs des Laserstrahls entlang mindestens eines Teils der Verbindungsnaht wiederholt verändert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Laserstrahllöten von Metallwerkstücken und insbesondere auf ein Verfahren zum Laserstrahllöten von Metallwerkstücken mit einer Relativbewegung zwischen dem arbeitenden Laserstrahl und dem Fülldraht, um die Qualität der daraus entstehenden Lötverbindung zu verbessern.
EINLEITUNG
In einer Fertigungsumgebung gibt es zahlreiche Situationen, in denen zwei Metallwerkstücke über eine gemeinsame Schnittstelle verbunden werden müssen. So muss beispielsweise die Automobilindustrie bei der Konstruktion bestimmter Fahrzeugbauteile häufig zwei vorgefertigte Metallplatten miteinander verbinden. Das Laserstrahllöten ist eine weit verbreitete Fügetechnik, die sich besonders für Verbindungsnähte eignet, die sich entlang einer Klasse-A-Oberfläche des herzustellenden Teils befinden. Eine Klasse-A-Oberfläche ist typischerweise eine gestylte und nicht ebene Ausstellungsfläche, die sich auf der sichtbaren Außenseite eines zusammengebauten Fahrzeugs oder eines anderen Endprodukts befindet. Fahrzeugbauteile, die Verbindungsnähte beinhalten, die eventuell Teil einer Klasse-A-Oberfläche werden, sind unter anderem das Dach, der Kofferraumdeckel, die C-Säule und der Kofferraum, um nur einige zu nennen. Das ästhetische Erscheinungsbild von Fugen, die auf Klasse-A-Oberflächen gebildet werden, ist oft anspruchsvoll und unterliegt strengen optischen Anforderungen, um das Aussehen einer glatten, einzelnen Oberfläche beim Lackieren zu erleichtern. Das Laserstrahllöten wird routinemäßig eingesetzt und ist eine effektive Verbindungstechnik, wenn sowohl das ästhetische Erscheinungsbild als auch die mechanischen Eigenschaften der Verbindung in die Qualität der Verbindung einfließen. Natürlich kann das Laserstrahllöten auch in einer Vielzahl von anderen Situationen praktiziert werden und ist nicht unbedingt nur auf die Anwendungen beschränkt, bei denen die entstehende Lötverbindung entlang einer Fahrzeugoberfläche der Klasse A vorhanden ist.
Das Laserstrahllöten ist ein Metall-Fügeverfahren, bei welchem ein Laserstrahl die Energie liefert, die zum Schmelzen eines verbrauchbaren Fülldrahtes erforderlich ist, der aus einem ausgewählten Lötmaterial besteht, das in seiner Zusammensetzung für die zu verbindenden Metallwerkstücke geeignet ist. In der Praxis befindet sich der Fülldraht an einer Verbindungsnaht zwischen den beiden Metallwerkstücken, wobei ein Laserstrahl auf die Verbindungsnaht gerichtet wird, sodass ein Strahlpunkt des Laserstrahls zumindest teilweise auf ein vorderes Ende eines Fülldrahtes trifft, typischerweise in Schutzgasausführung. Der Fülldraht absorbiert die Energie des Laserstrahls und schmilzt zu einem geschmolzenen Füllstoff, dessen Viskosität so niedrig ist, dass er in die Verbindungsnaht einfließen kann. Der Laserstrahl wird planmäßig entlang der Schweißnaht vorgeschoben, während der Fülldraht kontinuierlich in den Strahlpunkt des Laserstrahls eingeführt wird, um das auftreffende vordere Ende aufrechtzuerhalten und so während der Vorwärtsbewegung des Laserstrahls kontinuierlich eine Quelle für geschmolzenes, fließfähigen Füllstoff bereitzustellen. Der Vorschub des Laserstrahls entlang der Schweißnaht im Zusammenwirken mit dem kontinuierlich zugeführten Fülldraht führt dazu, dass geschmolzenes Schweißgut innerhalb und entlang der Verbindungsnaht zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Metallwerkstücke, welche die Verbindungsnaht bilden, verteilt wird.
Der geschmolzene Füllstoff, das im Zuge der Vorwärtsbewegung des Laserstrahls in die Verbindungsnaht eingebracht wird, erstarrt schließlich zu einer Lötverbindung, welche die Werkstücke miteinander verbindet. Der erstarrende, schmelzflüssige Füllstoff benetzt die gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke vor dem Verfestigen so, dass die Lötverbindung die Oberflächen der Werkstücke metallurgisch miteinander verbindet, ohne die beiden Metallwerkstücke selbst zu schmelzen. Die entstehende Lötverbindung weist im Allgemeinen eine glatte Oberfläche auf, da der Lötprozess kein Keyhole oder ein turbulentes Schmelzbad erzeugt, wie es bei Laserschweißanwendungen häufig der Fall ist, und die relativ niedrige Temperatur des Laserstrahllötens nur eine minimale Wärmeeinflusszone erzeugt und somit eine thermische Beschädigung der Metallwerkstücke außerhalb der Schweißnaht verhindert. Diese physikalischen und strukturellen Eigenschaften der Lötverbindung vereinfachen die Weiterverarbeitung der Lötverbindung, wie beispielsweise das Glätten (z. B. Polieren, Bürsten, Schleifen, usw.) und ggf. Lackieren, ohne die Festigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Lötverbindung unbedingt zu beeinträchtigen, insbesondere wenn die Verbindung nicht tragfähig ist.
In bestimmten Situationen - insbesondere wenn es sich bei den Metallwerkstücken um Werkstücke aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung handelt - kann das Laserstrahllöten anfällig für Verbindungsabweichungen sein, welche die mechanischen Eigenschaften der Lötverbindung, das ästhetische Aussehen der Lötverbindung, vor allem an ihrer Oberseite, oder beides beeinträchtigen können. Wenn beispielsweise zwei mit einer Oberflächenbeschichtung auf Zinkbasis beschichtete Stahlwerkstücke, wie beispielsweise Zink oder eine Zinklegierung, miteinander verlötet werden, kann die mit dem Laserstrahllötprozess verbundene Wärme die Oberflächenbeschichtung auf Zinkbasis in der Nähe der Verbindungsnaht zum Kochen bringen, wodurch Hochdruckzink in und um den geschmolzenen Füllstoff freigesetzt werden kann. Das austretende Hochdruckzink kann wiederum dazu führen, dass Poren in der Lötverbindung übersprungen werden und auch spritzen können. Ähnliche Probleme können beim Laserstrahllöten zweier Werkstücke aus Aluminiumlegierungen auftreten, da die Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Magnesium und Zink, häufig in den Aluminiumlegierungen enthalten sind. Diese niedrig siedenden Legierungsbestandteile können als Hochdruckdampf freigesetzt werden, wenn sie der mit dem Laserstrahllötprozess verbundenen Wärme ausgesetzt werden. Darüber hinaus ist ein unzureichender Kontakt zwischen dem geschmolzenen Füllstoff und den gegenüberliegenden Oberflächen der Metallwerkstücke sowohl bei Stahl- als auch bei Aluminiumwerkstücken ein Problem. Wenn der Kontakt zwischen dem geschmolzenen Füllstoff und den gegenüberliegenden Oberflächen der Metallwerkstücke entlang der Verbindungsnaht ungenügend ist, hat die entstehende Lötverbindung möglicherweise nicht die erwartete Festigkeit und kann die Verbindungsnaht nicht vollständig überbrücken, was ein ungünstiges Ergebnis ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein Verfahren zum Laserstrahllöten eines Metallwerkstücks gemäß einer Version der vorliegenden Offenbarung kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt wird eine Metallwerkstückanordnung bereitgestellt. Die Metallwerkstückanordnung beinhaltet ein erstes metallisches Werkstück und ein zweites metallisches Werkstück. Die ersten und zweiten metallischen Werkstücke bilden eine Verbindungsnaht. In einem weiteren Schritt wird ein Laserstrahl entlang der Verbindungsnaht vorgeschoben, während ein Fülldraht in den Laserstrahl eingeführt wird, um ein vorderes Ende des Fülldrahtes, das vom Laserstrahl beaufschlagt wird, zu schmelzen, um geschmolzenen Füllstoff innerhalb und entlang der Verbindungsnaht zu erzeugen und abzugeben, während der Laserstrahl entlang der Verbindungsnaht vorgeschoben wird. Der geschmolzene Füllstoff verfestigt sich hinter dem Laserstrahl zu einer Lötverbindung. Und in noch einem weiteren Schritt wird die Position eines Brennpunktes des Laserstrahls beim Vorschieben des Laserstrahls entlang zumindest eines Teils der Verbindungsnaht immer wieder im Verhältnis zum Fülldraht verändert.
Das Verfahren der vorgenannten Version kann weiter definiert werden. So kann beispielsweise die wiederholte Veränderung der Position des Brennpunktes des Laserstrahls im Verhältnis zum Fülldraht eine Oszillation des Brennpunktes entlang einer Strahllängsachse des Laserstrahls beinhalten, um dadurch abwechselnd eine Brennweite des Laserstrahls beim Vorrücken des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht zu vergrößern und zu verkleinern. In diesem Fall kann der Brennpunkt des Laserstrahls so verschoben werden, dass die Brennweite des Laserstrahls abwechselnd über eine Gesamtschwingungshöhe zwischen 0,1 mm und 1,0 mm bei einer Frequenz von 2 Hz bis 1000 Hz vergrößert und verkleinert wird.
Als ein weiteres Beispiel kann die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes des Laserstrahls im Verhältnis zum Fülldraht das Oszillieren des Fülldrahtes entlang einer Richtung parallel zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes beinhalten, um abwechselnd eine Länge des vorderen Endes des Fülldrahtes während des Vorschubs des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht zu vergrößern und zu verkleinern. Wenn dies der Fall ist, kann der Fülldraht oszilliert werden, sodass die Länge des Fülldrahtes abwechselnd in einem Längenbereich von 0,1 mm bis 0,8 mm bei einer Frequenz von 3 Hz bis 1000 Hz vergrößert und verkleinert wird.
In noch einem weiteren Beispiel kann die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes des Laserstrahls im Verhältnis zum Fülldraht das Oszillieren des Fülldrahtes entlang einer Richtung quer zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes beinhalten, um das vordere Ende des Fülldrahtes während des Vorschubs des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht hin und her über eine Mittellinienebene der Verbindungsnaht zu bewegen. In diesem Fall kann der Fülldraht so oszillieren, dass das vordere Ende des Fülldrahtes über eine Strecke von 0,1 mm bis 2,0 mm bei einer Frequenz von 2 Hz bis 1500 Hz über die Mittellinienebene der Verbindungsnaht bewegt wird.
Die ersten und zweiten Metallwerkstücke können ein beliebiges laserlötbares Metall umfassen. So kann beispielsweise das erste Metallwerkstück und das zweite Metallwerkstück in einer Ausführungsform jeweils ein Stahlwerkstück sein. Wenn die ersten und zweiten Metallwerkstücke Stahlwerkstücke sind, kann mindestens eines der ersten Metallwerkstücke oder das zweite Metallwerkstück ein Stahlwerkstück sein, das eine Oberflächenbeschichtung aus einem Beschichtungsmaterial auf Zinkbasis oder einem Beschichtungsmaterial auf Aluminiumbasis umfasst. In einer weiteren Ausführungsform kann jedes der ersten Metallwerkstücke und das zweite Metallwerkstück ein Werkstück aus einer Aluminiumlegierung sein. Wenn die ersten und zweiten Metallwerkstücke darüber hinaus aus einer Aluminiumlegierung sind, kann mindestens eines der ersten Metallwerkstücke oder das zweite Metallwerkstück ein Werkstück aus einer Aluminiumlegierung sein, das eine Oberflächenbeschichtung aus einem feuerfesten Oxidmaterial aufweist.
Ein Verfahren zum Laserstrahllöten eines Metallwerkstücks gemäß einer weiteren Version der vorliegenden Offenbarung kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt kann ein Laserstrahl entlang einer Verbindungsnaht zwischen einem ersten Metallwerkstück und einem zweiten Metallwerkstück einer Metallwerkstückanordnung vorgeschoben werden. Der Laserstrahl verfügt über einen Brennpunkt. In einem weiteren Schritt wird ein Fülldraht in den Laserstrahl eingeführt, während der Laserstrahl entlang der Verbindungsnaht vorgeschoben wird, um ein vorderes Ende des Fülldrahtes, das vom Laserstrahl beaufschlagt wird, zu schmelzen, um geschmolzenen Füllstoff innerhalb und entlang der Verbindungsnaht herzustellen und abzugeben. In noch einem weiteren Schritt wird eine Position eines Brennpunktes des Laserstrahls beim Vorschieben des Laserstrahls entlang zumindest eines Teils der Verbindungsnaht immer wieder im Verhältnis zum Fülldraht verändert. Der geschmolzene Füllstoff verfestigt sich hinter dem Laserstrahl zu einer Lötverbindung, welche die ersten und zweiten Metallwerkstücke metallurgisch miteinander verbindet.
Das Verfahren der vorgenannten Version kann weiter definiert werden. So kann beispielsweise die wiederholte Veränderung der Position des Brennpunktes des Laserstrahls im Verhältnis zum Fülldraht in einer Ausführungsform eine Oszillation des Brennpunktes entlang einer Strahllängsachse des Laserstrahls beinhalten, um dadurch abwechselnd eine Brennweite des Laserstrahls beim Vorrücken des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht zu vergrößern und zu verkleinern. In einer weiteren Ausführungsform kann die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes des Laserstrahls im Verhältnis zum Fülldraht das Oszillieren des Fülldrahtes entlang einer Richtung parallel zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes beinhalten, um abwechselnd eine Länge des vorderen Endes des Fülldrahtes während des Vorschubs des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht zu vergrößern und zu verkleinern. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes des Laserstrahls im Verhältnis zum Fülldraht das Oszillieren des Fülldrahtes entlang einer Richtung quer zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes beinhalten, um das vordere Ende des Fülldrahtes während des Vorschubs des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht hin und her über eine Mittellinienebene der Verbindungsnaht zu bewegen.
Die ersten und zweiten metallischen Werkstücke können ein beliebiges laserlötbares Metall umfassen. So können beispielsweise das erste Metallwerkstück und das zweite Metallwerkstück jeweils ein Stahlwerkstück sein. Wenn die ersten und zweiten Metallwerkstücke Stahlwerkstücke sind, kann mindestens eines der ersten Metallwerkstücke oder das zweite Metallwerkstück ein Stahlwerkstück sein, das eine Oberflächenbeschichtung aus einem Beschichtungsmaterial auf Zinkbasis umfasst. In einer weiteren Ausführungsform kann jedes der ersten Metallwerkstücke und das zweite Metallwerkstück ein Werkstück aus einer Aluminiumlegierung sein. Wenn die ersten und zweiten Metallwerkstücke darüber hinaus aus einer Aluminiumlegierung sind, kann mindestens eines der ersten Metallwerkstücke oder das zweite Metallwerkstück ein Werkstück aus einer Aluminiumlegierung sein, das eine Oberflächenbeschichtung aus einem feuerfesten Oxidmaterial aufweist.
Ein Verfahren zum Laserstrahllöten eines Metallwerkstücks gemäß der Version der vorliegenden Offenbarung kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt kann ein Laserstrahl entlang einer Verbindungsnaht zwischen einem ersten Metallwerkstück und einem zweiten Metallwerkstück einer Metallwerkstückanordnung vorgeschoben werden. Der Laserstrahl verfügt über einen Brennpunkt. In einem weiteren Schritt wird ein Fülldraht in den Laserstrahl eingeführt, während der Laserstrahl entlang der Verbindungsnaht vorgeschoben wird, um ein vorderes Ende des Fülldrahtes, das vom Laserstrahl beaufschlagt wird, zu schmelzen, um geschmolzenes Füllmaterial innerhalb und entlang der Verbindungsnaht herzustellen und abzugeben. Dieser geschmolzene Füllstoff verfestigt sich hinter dem Laserstrahl zu einer Lötverbindung, welche die ersten und zweiten Metallwerkstücke metallurgisch miteinander verbindet. In einem weiteren Schritt wird der Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer Strahllängsachse des Laserstrahls oszilliert, um dadurch abwechselnd eine Brennweite des Laserstrahls beim Vorschub des Laserstrahls entlang zumindest eines Teils der Verbindungsnaht zu vergrößern und zu verkleinern. In noch einem weiteren Schritt wird der Fülldraht entlang einer Richtung quer zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes oszilliert, um das vordere Ende des Fülldrahtes beim Vorschub des Laserstrahls entlang mindestens eines Teils der Verbindungsnaht über eine Mittellinienebene hin und her zu bewegen, während gleichzeitig der Brennpunkt des Laserstrahls entlang der Längsachse des Laserstrahls oszilliert wird.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht auf eine Metallwerkstückanordnung, die ein erstes Metallwerkstück und ein zweites Metallwerkstück beinhaltet, die durch eine Laserlötvorrichtung, die einen optischen Fokussierkopf beim Laserlöten, einen Drahtvorschub und eine Schutzgasdüse beinhaltet, entlang einer Verbindungsnaht zusammengelötet werden;
2 ist eine Querschnittsansicht der Metallwerkstückanordnung und der Abschnitte der Laserlötvorrichtung entlang der Schnittlinie 2-2 von 1;
3 ist eine Querschnittsansicht der Metallwerkstückanordnung und der Abschnitte der Laserlötvorrichtung, die entlang der Schnittlinie 3-3 von 1 abgetragen werden;
4 ist eine schematische Darstellung des optischen Fokussierkopfes beim Laserstrahllöten, der im Allgemeinen in der Laserlötvorrichtung von 1 veranschaulicht ist;
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Metallwerkstücks und der Abschnitte der Laserlötvorrichtung, die entlang der gleichen Ansicht der Schnittlinie 3-3 von 1 aufgenommen wurden;
6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Metallwerkstückanordnung und des Fülldrahtes, der die Verbindungsnaht entlang der gleichen Ansicht der Schnittlinie 2-2 von 1 abgetragen wurde; und
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Metallwerkstückanordnung, die entlang der gleichen Ansicht der Schnittlinie 2-2 von 1 abgetragen wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zum Laserstrahllöten zweier Metallwerkstücke entlang einer Verbindungsnaht zwischen aneinanderstoßenden Metallwerkstücken wird offenbart. Das Verfahren schließt das Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einem vorrückenden Laserstrahl und einem Fülldraht ein, der kontinuierlich in den Laserstrahl entlang einer Vorschubrichtung eingeführt wird, um geschmolzenes Füllmaterial entlang der Verbindungsnaht abzugeben. Insbesondere kann die vorgenannte Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Fülldraht durch wiederholtes Schwanken der Position eines Brennpunktes des Laserstrahls im Verhältnis zu einem vorderen Ende des Fülldrahtes realisiert werden. Eine derartige wiederholte Schwankung kann durch eine oder mehrere der folgenden Aktionen erreicht werden: (1) Oszillieren des Brennpunktes des Laserstrahls entlang einer Strahllängsachse in Bezug auf die Metallwerkstückanordnung; (2) Oszillieren des Fülldrahtes entlang einer Richtung parallel zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes; oder (3) Oszillieren des Fülldrahtes in einer Richtung quer zu der axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes. Durch eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Fülldraht beim Vorschub des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht kann der Wärmeeintrag in den Fülldraht besser gesteuert und/oder das Fließverhalten des geschmolzenen Füllstoffs innerhalb der Verbindungsnaht verbessert werden, um einen guten Kontakt zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der metallischen Werkstücke zu gewährleisten.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Metallwerkstückanordnung 10 dargestellt, die ein erstes Metallwerkstück 12 und ein zweites Metallwerkstück 14 beinhaltet. Das erste Metallwerkstück 12 beinhaltet einen ersten Hauptpaneelabschnitt 16 und einen ersten Flanschabschnitt 18, der sich vom ersten Hauptpaneelabschnitt 16 entlang einer ersten Biegelinie 20 wegbiegt. Ebenso beinhaltet das zweite Metallwerkstück 14 einen zweiten Hauptpaneelabschnitt 22 und einen zweiten Flanschabschnitt 24, der sich vom zweiten Hauptpaneelabschnitt 22 entlang einer zweiten Biegelinie 26 wegbiegt. Der Biegewinkel der ersten und zweiten Flanschabschnitte 18, 24 ist, wie dargestellt, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, obwohl andere Winkel durchaus möglich sind. Das erste Metallwerkstück 12 weist eine Deckfläche 28 auf, die den ersten Hauptpaneelabschnitt 16 überspannt und sich über die erste Biegelinie 20 bis zu einer Anschlusskante 32 des ersten Flanschabschnitts 16 erstreckt, und das zweite Metallwerkstück 14 weist ebenfalls eine zweite Deckfläche 34 auf, die den zweiten Hauptpaneelabschnitt 22 überspannt und sich über die zweite Biegelinie 26 bis zu einer Anschlusskante 36 des zweiten Flanschabschnitts 24 erstreckt. Jedes der ersten und zweiten Metallwerkstücke weist eine Dicke von 2 mm bis 6 mm oder schmaler von 2,5 mm bis 4,0 mm auf.
Die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 werden durch geeignete Vorrichtungen so zusammengeführt und montiert, dass ihre Flanschteile 18, 24 aneinanderstoßen. Die montierten Metallwerkstücke 12, 14 bilden eine Verbindungsnaht 38, die, wie in den 2 und 6-7 am besten dargestellt, durch Gegenüberstellung der Bereiche 28', 34' der ersten und zweiten Deckfläche 28, 34 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 definiert wird. Die gegenüberliegenden Bereiche 28', 34' der ersten und zweiten Deckflächen 28, 34 sind die Abschnitte der Deckflächen 28, 34, die voneinander getrennt sind und sich entlang der ersten und zweiten Flanschabschnitte 18, 24 bis durch die ersten und zweiten Biegelinien 20, 26 gegenüberstehen. Zu diesem Zweck ist die Verbindungsnaht 38 ein länglicher Kanal mit einer Mittellinienebene 40 (6) und im Querschnitt im Allgemeinen trichterförmig. Die Metallwerkstückanordnung 10 stellt im montierten Zustand die ersten und zweiten Deckflächen 28, 34 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 zum Laserstrahllöten bereit, um die Deckflächen 28, 34 über die Verbindungsnaht 38 zu einer gemeinsamen Deckfläche 42 der Metallwerkstückanordnung 10 zusammenzufügen. Die gemeinsam freiliegende Oberseite 42 der Metallwerkstückanordnung 10 kann im Bereich der Fahrzeugfertigung eine Gütefläche der Klasse A oder eine andere Innen- oder Außenfläche eines Fahrzeugs sein.
Die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 können aus einer Vielzahl von Metallen zusammengesetzt sein, die zum Laserstrahllöten geeignet sind. So können beispielsweise sowohl das erste als auch das zweite Metallwerkstück 12, 14 Stahlwerkstücke sein, oder in einem anderen Beispiel können sowohl das erste als auch das zweite Metallwerkstück 12, 14 Werkstücke aus einer Aluminiumlegierung sein. Unabhängig davon, ob sie aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung zusammengesetzt sind, können die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 beschichtet oder unbeschichtet sein. Die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 - unabhängig von ihrer Zusammensetzung - sind vorzugsweise Blechschichten, können jedoch auch andere Formen annehmen, einschließlich Strangpressteile oder Gussteile. Zudem können eines oder beide der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 vor dem Laserstrahllöten durch jede geeignete Umformtechnik vorgefertigt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Stanzen, Pressen, Ziehen, schnelles plastisches Umformen (QPF) und superplastisches Umformen (SPF). Alternativ kann natürlich eines oder beide der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 nach dem Laserstrahllöten in seine endgültige Form gebracht werden. Der hierin verwendete Begriff „Werkstück“, in Verbindung mit dem ersten und zweiten Metallwerkstück 12, 14, umfasst somit eine Vielzahl von Zusammensetzungen, einschließlich Stahl und Aluminiumlegierungen, sowohl beschichtet als auch unbeschichtet, in jeder Form (Blechschicht, Strangpressen, Gießen, usw.), die das Laserstrahllöten aufnehmen können.
Wenn das erste und das zweite Metallwerkstück 12, 14 Stahlwerkstücke sind, kann jedes der Metallwerkstücke 12, 14 aus einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlsubstrat bestehen. Das Stahlsubstrat kann heißgerollt oder kaltgerollt sein und kann aus Baustahl, kohlenstoffarmer (Weich-)Stahl, IF-Stahl (Interstitial-Free), einbrennhärtbarem Stahl, hochfestem niedriglegiertem (HSLA)-Stahl, Zweiphasen-Stahl (DP), Komplexphasen-Stahl (CP), martensitischem (MART)-Stahl, TRIP-Stahl (TRIP), TWIP-Stahl (Twinning Induced Plasticity) und Borstahl, als wenn das/die Werkstück(e) 12, 14 pressgehärteten Stahl (PHS) beinhaltete, bestehen. Die Stahlsubstrate der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 können gleich oder verschieden sein. Wenn eine Beschichtung auf einem oder beiden Stahlsubstraten der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 vorhanden ist, ist diese Beschichtung vorzugsweise ein Beschichtungsmaterial auf Zinkbasis oder ein Beschichtungsmaterial auf Aluminiumbasis. Einige Beispiele für ein Beschichtungsmaterial auf Zinkbasis sind Zink oder eine Zinklegierung, wie beispielsweise eine Zink-Nickel-Legierung oder eine Zink-Eisen-Legierung. Diese Beschichtungsmaterialien können durch Feuerverzinkung (Feuerverzinkungsbeschichtung), galvanische Verzinkung (galvanische verzinkte Beschichtung), galvanisches Glühen (galvanische Zink-Eisen-Legierung) oder galvanische Abscheidung (Zink-Eisen-Legierung oder Zink-Nickel-Legierung) aufgebracht werden. Einige Beispiele für ein Beschichtungsmaterial auf Aluminiumbasis sind Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung und eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Diese Beschichtungsmaterialien auf Aluminiumbasis können durch Tauchbeschichtung aufgebracht werden.
Wenn die ersten und die zweiten Metallwerkstücke 12, 14 Werkstücke aus einer Aluminiumlegierung sind, kann jedes der Metallwerkstücke 12, 14 aus einer beschichteten oder unbeschichteten Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85 Gew.-% Aluminium beinhaltet. Einige namhafte Aluminiumlegierungen, die verwendet werden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die verwendet werden können, sind AA5182 und AA5754-Aluminium-Magnesium-Legierung, AA6011 und AA6022-Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, AA7003 und AA7055-Aluminium-Zink-Legierung sowie die Aluminiumdruckgusslegierung Al-10Si-Mg. Die ersten und/oder zweiten Aluminium-Basisschichten 36, 38 können in verschiedenen Härtegraden eingesetzt werden, einschließlich geglüht (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T). Die Aluminiumlegierungssubstrate der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 können gleich oder verschieden sein. Und wenn eine Beschichtung auf einem oder beiden der Aluminiumlegierungssubstrate der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 vorhanden ist, ist diese Beschichtung normalerweise ein feuerfestes Oxidmaterial aus Aluminiumoxidverbindungen, das sich passiv bildet, wenn frisches Aluminium der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird und/oder während des Herstellungsprozesses (z. B. Walzzunder) oder anderweitig. Alternativ kann die Beschichtung eine metallische Beschichtung aus Zink oder Zinn umfassen, oder eine Metalloxidumwandlungsbeschichtung bestehend aus Oxiden von Titan, Zirkonium, Chrom oder Silizium, wie in der US-Patentanmeldung Nr. US2014/0360986 offenbart.
Jetzt mit Verweis auf die 1-6 wird ein Verfahren zum Laserstrahllöten der Metallwerkstückanordnung 10 zur metallurgischen Verbindung der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 gemäß bestimmter Praktiken für die Offenbarung veranschaulicht. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen der Metallwerkstückanordnung 10, sodass die Verbindungsnaht 38 zwischen den ersten und zweiten Metallwerkstücken 12, 14 hergestellt wird. Dies kann, wie bereits erwähnt, das Zusammenführen der Flanschteile 18, 24 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 zu einem Grenzflächenwiderlager unter Verwendung geeigneter Spannvorrichtungen beinhalten. Anschließend wird eine Hartlötverbindung 44 innerhalb und entlang der Verbindungsnaht 38 aufgebracht. Die Abscheidung der Lötverbindung 44 erfolgt mit einer Laserlötvorrichtung 46, die einen lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48, einen Drahtvorschub 50 und eine Schutzgasdüse 52 beinhaltet. Der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 fokussiert und richtet einen Laserstrahl 54 auf die Metallwerkstückanordnung 10, während er von einem Roboter 56 entlang der Verbindungsnaht 38 getragen wird (teilweise sichtbar). Gleichzeitig führt der Drahtvorschub 50 einen Fülldraht 58 in den Laserstrahl 54 ein und die Schutzgasdüse 52 gibt ein Schutzgas 60 zur Verbindungsnaht 38 ab, um eine Schutzgaszone 62 zu erzeugen.
Wie allgemein in 4 dargestellt, beinhaltet der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 einen Körper 64, der einen Kollimator 66 und ein Fokussierelement 68 aufnimmt. Ein Ende 70 eines Lichtwellenleiterkabels 72 wird im Körper 64 aufgenommen und liefert einen divergierenden konischen Laserstrahl 74, der von einem Laserstrahlgenerator stammt (nicht dargestellt). Der divergierende konische Laserstrahl 74 wird vom Kollimator 66 in einen kollimierten Laserstrahl 76 mit einem konstanten Strahldurchmesser umgewandelt. Der Kollimator 66 kann eine gekrümmte Linse sein, wie beispielsweise eine parabolische oder sphärische Linse, durch die der divergierende konische Laserstrahl 74 hindurchtreten kann. Nach dem Austritt aus dem Kollimator 66 wird der kollimierte Laserstrahl 76 von einem Zwischenspiegel 78 abgelenkt und dem Fokussierelement 68 zugeführt. Die Fokussierelemente fokussieren den kollimierten Laserstrahl 76 in den Laserstrahl 54, der durch den lasergelöteten optische Fokussierkopf 48 zum Metallwerkstück 10 geleitet wird und schließlich auf den Fülldraht 58 trifft. Das Fokussierelement 68 verengt den Strahldurchmesser des Laserstrahls 54 auf einen Brennpunkt oder „Bund“ 80, der vorzugsweise einen Durchmesser von 0,5 mm bis 4,0 mm aufweist. Ähnlich wie der Kollimator 66 kann das Fokussierelement 68 eine gekrümmte Linse, wie beispielsweise eine parabolische oder sphärische Linse sein, durch die der kollimierte Laserstrahl 76 hindurchtreten kann. Der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 kann unter anderem für die Verwendung von Spiegeln als Kollimator 66 und Fokussierelement 68 anstelle von Linsen ausgelegt sein.
Der Laserstrahl 54 verlässt nach Zusammenwirken mit dem Fokussierelement 68 den lasergelöteten optischen Fokuskopf 48 und breitet sich entlang einer Strahlachse 82 nach vorne aus. Der Laserstrahl 54 kann ein Festkörperlaser oder ein Gaslaser sein. Einige namhafte Festkörperlaser, die verwendet werden können, umfassen einen Faserlaser, einen Scheibenlaser, einen direkten Diodenlaser und einen Nd:YAG-Laser, sowie einen namhaften Gaslaser, der verwendet werden kann, und zwar einen CO₂-Laser, obwohl andere Lasertypen durchaus verwendet werden können. Der Laserstrahl 54 wird vorzugsweise (soweit er nicht in der Faser selbst erzeugt wird) über ein Glasfaserkabel an den lasergelöteten optischen Fokuskopf 48 abgegeben. Zudem kann das Leistungsniveau des Laserstrahls 54 so angepasst werden, dass ausreichend Energie an die Verbindungsnaht 38 und den Fülldraht 58 abgegeben wird, um das Schmelzen des Fülldrahtes 58 ohne Schmelzen der ersten oder zweiten metallischen Werkstücke 12, 14 in dem Maße zu ermöglichen, dass sich ein durchdringendes Schmelzbad bildet. Dabei liegt das Leistungsniveau des Laserstrahls 54 vorzugsweise im Bereich von 1,0 kW bis 10 kW bzw. im engeren Bereich von 2,5 kW bis 6,0 kW beim Laserstrahllöten von Stahlwerkstücken und von 2,0 kW bis 6,0 kW beim Laserstrahllöten von Werkstücken aus Aluminiumlegierungen. Es sind Lasergeneratoren zum Erzeugen der verschiedenen vorstehend genannten Festkörper- und Gaslaser sowie weiterer Variationen im Handel erhältlich. Andere Festkörper- und Gaslaserstrahlen, die hier nicht ausdrücklich erwähnt werden, können selbstverständlich verwendet werden.
Der Laserstrahl 54 weist eine Brennweite 84 und eine Brennweite 86 auf. Die Brennweite 84 ist der Abstand zwischen dem Fokussierelement 68, bei welchem die Strahlverengung eingeleitet wird, und dem Brennpunkt 80 des Laserstrahls 54. Dieser Abstand kann sich im Bereich zwischen 100 mm und 400 mm oder, noch enger, zwischen 200 mm und 300 mm bewegen. Die Brennweite 86 ist der Abstand zwischen dem Brennpunkt 80 und einem Strahlpunkt 88 des Laserstrahls 54 entlang der Längsachse 82 des Laserstrahls 54. Der Strahlpunkt 88 ist die projizierte Querschnittsfläche des Laserstrahls 54 in einer Ebene 90, die sich über die Verbindungsnaht 38 erstreckt und die Übergänge zwischen den Hauptpaneelabschnitten 16, 22 und ihren jeweiligen Biegelinien 20, 26 schneidet, wie in 7 dargestellt. Die Brennweite 86 des Laserstrahls 54 kann von 0 mm (Brennpunkt liegt in der Ebene 90) bis 10 mm oder enger im Bereich von 0 mm bis 5 mm liegen, entweder oberhalb oder unterhalb der Ebene 90, die sich über die Verbindungsnaht 38 erstreckt. Wie nachstehend ausführlicher erläutert, kann die Brennweite 86 des Laserstrahls 54 beim Laserstrahllöten innerhalb dieses Bereichs variiert werden, indem der Brennpunkt 80 entlang der Längsachse 82 oszilliert wird, was wiederum die Brennweite 84 des Laserstrahls 54 in einem entsprechenden, aber entgegengesetzten Maß verändern kann.
Der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 kann weitere zugehörige Komponenten und Ausrüstungen beinhalten. Wenn der lasergelötete optische Fokuskopf 48 in Betrieb ist und der Laserstrahl 54 auf das Metallwerkstück 10 gerichtet wird, kann die im optischen Fokuskopf 48 eingebaute Kühlfunktion aktiviert werden, um zu gewährleisten, dass der Kollimator 66 und das Fokussierelement 68 nicht überhitzen. Der lasergelötete optische Fokuskopf 48 kann auch eine visuelle Überwachungseinrichtung 92, wie beispielsweise eine Kamera mit CCTV-Linse, die eine Sichtlinie entlang der Längsachse 82 des Laserstrahls 54 aufweist, sowie weitere zugehörige Komponenten und Einrichtungen beinhalten. Wie in 4 gezeigt, kann beispielsweise der lasergelötete optische Fokuskopf 48 eine vor dem Fokussierelement 68 angeordnete adaptive Fokussieroptikanordnung 94 beinhalten, die den Brennpunkt 82 des Laserstrahls 54 bei Bedarf variieren kann. In einer Ausführungsform kann die adaptive Fokussieroptikanordnung 94 eine Hülsenstruktur sein, die den Kollimator 66 gleitend aufnimmt und die Position des Kollimators 66 durch Verschieben des Kollimators 66 nach vorne zum Verlängern des divergierenden konischen Laserstrahls 74 oder nach hinten zum Verkürzen des divergierenden konischen Laserstrahls 74 mittels eines Hochgeschwindigkeits-Stellglieds, wie beispielsweise eines Servomotors oder eines piezoelektrischen Stellglieds, verändern kann. Diese Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Kollimators 66 vergrößert bzw. verkleinert den Durchmesser des kollimierten späteren Strahls 76, was die Brennweite 84 und damit den Fokusabstand 86 des Laserstrahls 54 beeinflusst. Der in den 1 und 4 schematisch dargestellte und vorstehend beschriebene optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 ist im Handel erhältlich.
Der Roboter 56, der den lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 trägt, kann den lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 innerhalb des Raums über der Metallwerkstückanordnung 10 bewegen, um den Laserstrahl 54 im Verhältnis zur Anordnung 10 und entlang der Verbindungsnaht 38 vorzurücken. Der Roboter 56 beinhaltet insbesondere einen Roboterarm 96, der mit dem lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 verbunden ist und diesen abstützt. Der Roboter 56 inklusive des Roboterarms 96 ist mit Dreh-, Schwenk-, Gelenk- und/oder anderen Arten von Verbindungen ausgestattet, die eine präzise und programmierbare Roboterbewegung des lasergelöteten optischen Fokussierkopfes 48 in mehreren Achsen unter Zuhilfenahme von computerimplementierten Steuerungssystemen ermöglichen. Da die Strahllängsachse 82 des Laserstrahls 54 gegenüber dem Fokussierelement 68 fixiert ist, kann der Laserstrahl 54 und insbesondere der Strahlpunkt 88 des Laserstrahls 54 durch Betätigen des Roboters 56 entlang der Verbindungsnaht 38 verschoben werden, um den lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 entlang einer entsprechenden Bahn oberhalb der Metallwerkstückanordnung 10 zu transportieren. Dabei ist die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 entlang der Verbindungsnaht 38 gleich zu der Geschwindigkeit, mit welcher der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 gegenüber der Metallwerkstückanordnung 10 bewegt wird. Die implementierte Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 54 für das Laserstrahllöten gemäß den Praktiken des offenbarten Verfahrens liegt vorzugsweise im Bereich von 3,0 m/min bis 10,0 m/min.
Der Drahtvorschub 50 und die Schutzgasdüse 52 können wie dargestellt mit dem lasergelöteten optischen Fokuskopf 48 verbunden werden, oder sie können dem optischen Fokuskopf 48 auf eine andere Weise zugeordnet werden, die es den drei Vorrichtungen 48, 50, 52 ermöglicht, sich gemeinsam entlang der Verbindungsnaht 38 zu bewegen. Der Drahtvorschub 50 beinhaltet einen Führungsauslauf 98, der den Fülldraht 58 in einer axialen Vorschubrichtung 100 (3 und 5) mittels einer bekannten präzisen Führungsmechanik und/oder computergestützten Steuerung in den Laserstrahl 54 einführt. Der Teil des Fülldrahtes 58, der dem Laserstrahl 54 zugeführt wird und somit vom Laserstrahl 54 beaufschlagt und aufgeschmolzen wird-wird hier als das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 betrachtet (5). Das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 weist eine Länge von 104 auf, gemessen entlang der axialen Vorschubrichtung 100 des Fülldrahtes 58. In Bezug auf die Schutzgasdüse 52 lenkt sie einen Strom des Schutzgases 60 auf die Verbindungsnaht 38, sodass die Schutzgaszone 62 das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 vor Oxidation und anderen Formen reaktiver Verschmutzung schützt, da das vordere Ende 102 durch den Laserstrahl 54 aufgeschmolzen wird. Das Schutzgas 60 kann ein Inertgas sein, wie beispielsweise Argon oder Helium, oder es kann ein Gemisch aus Gasen sein, wie z. B. (i) Argon und Kohlendioxid oder (ii) Argon und Sauerstoff.
Die Größe und Zusammensetzung des Fülldrahtes 58 kann je nach Zusammensetzung der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 und anderen Anforderungen an die Lötverbindung 44 variieren. Der Fülldraht 58 besteht aus einer verbrauchbaren Füllstoffzusammensetzung, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 aufweist. Auf diese Weise kann der Fülldraht 58 mit dem Laserstrahl 54 aufgeschmolzen werden, ohne dass die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 geschmolzen werden müssen. Wenn beispielsweise die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 Stahlwerkstücke sind, kann der Fülldraht 58 einen Durchmesser von 0,6 mm bis 1,8 mm aufweisen und aus jeder geeigneten verbrauchbaren Füllstoffzusammensetzung einschließlich einer Legierung aus Kupfer, Silizium und Mangan bestehen. Ebenso, wenn die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 Werkstücke aus einer Aluminiumlegierung sind, kann der Fülldraht 58 einen Durchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 2,4 mm aufweisen und kann aus jeder geeigneten verbrauchbaren Füllstoffzusammensetzung einschließlich einer Legierung aus Aluminium, Silizium und Magnesium bestehen.
Bezugnehmend zurück auf 1 wird die Lötverbindung 44 innerhalb und entlang der Verbindungsnaht 38 abgelagert, indem der Laserstrahl 54 in einer Vorwärtslötrichtung 106 entlang der Verbindungsnaht 38 vorgeschoben und der Fülldraht 58 unter dem Schutz der Schutzgaszone 62 in den Laserstrahl 54 eingeführt wird. Die Energie des Laserstrahls 54 schmilzt das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 zur Herstellung von geschmolzenem Füllmaterial 108. Dieser fließfähige, schmelzflüssige Füllstoff 108 wird innerhalb der Verbindungsnaht 38 zwischen den gegenüberliegenden Bereichen 28', 34' der ersten und zweiten Deckflächen 28, 34 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 dosiert und lokal ausgefüllt. Da der Laserstrahl 54 entlang der Verbindungsnaht 38 vorgeschoben wird, wird der Fülldraht 58 kontinuierlich in der axialen Vorschubrichtung 100 zugeführt, um das auftreffende vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 innerhalb des Laserstrahls 54 zu halten und somit eine kontinuierliche Quelle des fließfähigen geschmolzenen Füllmaterials 108 beim Vorschub des Laserstrahls 54 zu gewährleisten. Die Vorwärtsbewegung des Laserstrahls 54 entlang der Verbindungsnaht 38 in Verbindung mit der koordinierten Vorwärtsbewegung des Drahtvorschubs 50, der sich nicht nur gemeinsam mit dem lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 bewegt, sondern gleichzeitig auch den Fülldraht 58 steuerbar in den vorrückenden Laserstrahl 54 einführt, bewirkt, dass das geschmolzene Füllmaterial 108 innerhalb und entlang der Verbindungsnaht 38 zwischen mindestens den gegenüberliegenden Bereichen 28', 34' der ersten und zweiten Deckflächen 28, 34 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 dosiert wird.
Der Drahtvorschub 50 kann dem lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 entlang der Verbindungsnaht 38 vorausgehen, sodass der Fülldraht 58 entgegen der Vorwärtslötrichtung 106 in den Laserstrahl 54 eingeführt wird. Mit anderen Worten, wie am besten in den 3 und 6 dargestellt, kann die axiale Vorschubrichtung 100 des Fülldrahtes 58 der Vorwärtslötrichtung 106 des Laserstrahls 54 entgegengesetzt sein, da sowohl der Drahtvorschub 50 als auch der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 in Bezug auf die Metallwerkstückanordnung 10 transportiert werden. Des Weiteren, und unter Bezugnahme auf 3, kann die Längsstrahlachse 82 des Laserstrahls 54 zum oder vom Fülldraht 58 hin geneigt werden, sodass die Strahlachse 82 in der Vorwärtslötrichtung 106 (eine „ziehende“ Anordnung wie durch Pfeil 110 dargestellt) oder gegenüber der Normalen gegenüber der Vorwärtslötrichtung 106 (eine „schiebende“ Anordnung wie durch Pfeil 112 dargestellt) versetzt ist. Andere Anordnungen und Ausrichtungen des Fülldrahtes 58 und des Laserstrahls 54 können ebenfalls praktiziert werden. Wie bei der Positionierung der Schutzgasdüse 52 kann sie so ausgerichtet werden, dass sie die Strömung des Schutzgases 60 quer zur Vorwärtslötrichtung 106 lenkt, wenn der Laserstrahl 54 entlang der Verbindungsnaht 38 vorgeschoben wird und das geschmolzene Füllmaterial 108 innerhalb und entlang der Verbindungsnaht 38 hinter dem Laserstrahl 54 dosiert wird.
Gemäß den Praktiken des offenbarten Verfahrens - und in dem Bestreben, die Konsistenz und Verteilung des geschmolzenen Füllstoffs 108 innerhalb der Verbindungsnaht 38 zwischen den ersten und zweiten Metallwerkstücken 12, 14-relative Bewegung zwischen dem Laserstrahl 54 und dem Fülldraht 58 zu kontrollieren, kann die Position des Brennpunktes 80 des Laserstrahls 54 relativ zum Fülldraht 58 während des Vorschubs des Laserstrahls 54 entlang der Verbindungsnaht 38 wiederholt verändert werden. Die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes 80 gegenüber dem Fülldraht 58 umfasst alle wiederkehrenden Abweichungen in der räumlichen Ausrichtung des Brennpunktes 80 und des Fülldrahtes 58 einschließlich wiederkehrender Änderungen im Abstand zwischen den beiden Positionen 80, 58, wiederkehrende Änderungen in der Ausrichtung zwischen den beiden Positionen 80, 58, wiederkehrende Änderungen in der Größe des vorderen Endes 102 des Fülldrahtes 58 oder eine Kombination dieser Abweichungen. In diesem Zusammenhang kann die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunkts 80 gegenüber dem Fülldraht 58 durch eine oder mehrere der folgenden Aktionen erreicht werden: (1) Oszillieren des Brennpunktes 80 des Laserstrahls 54 entlang der Strahllängsachse 82 in Bezug auf die Metallwerkstückanordnung 10; (2) Oszillieren des Fülldrahtes 58 entlang einer Richtung parallel zu der axialen Vorschubrichtung 100 des Fülldrahtes 58; oder (3) Oszillieren des Fülldrahtes 58 in einer Richtung quer zu der axialen Vorschubrichtung 100 des Fülldrahtes 58.
Nun unter Bezugnahme auf 3, wird die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes 80 gegenüber dem Fülldraht 58 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, wobei der Brennpunkt 80 des Laserstrahls 54 entlang der Längsachse 82 in Bezug auf die Metallwerkstückanordnung 10 oszilliert. Wie dargestellt, vergrößert (Zeile 114) und verkleinert (Zeile 116) diese Schwingung des Brennpunktes 80 abwechselnd die Brennweite 86 des Laserstrahls 54 beim Vorschub des Laserstrahls 54 entlang der Verbindungsnaht 38, was wiederum die Fläche des Strahlpunktes 88 vergrößert bzw. verkleinert. Wenn die Brennweite 86 vergrößert wird, was zu einer Vergrößerung der Fläche des Strahlpunktes 88 und einer Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Brennpunkt 80 und dem vorderen Ende 102 des Fülldrahtes 58 führt, verringert sich die Leistungsdichte des dem Fülldraht 58 an seinem vorderen Ende 102 zugeführten Laserstrahls 54, da die Querschnittsfläche, über welche die Leistung des Laserstrahls 54 am Fülldraht 58 verteilt ist, erhöht wird. Umgekehrt, wenn die Brennweite 86 verringert wird, was zu einer Verkleinerung des Bereichs des Strahlpunktes 88 und einer Verkleinerung des Abstandes zwischen dem Brennpunkt 80 und dem vorderen Ende 102 des Fülldrahtes 58 führt, erhöht sich die Leistungsdichte des dem Fülldraht an seinem vorderen Ende 102 zugeführten Laserstrahls 54, da die Querschnittsfläche, über welche die Leistung des Laserstrahls 54 am Fülldraht 58 verteilt ist, verringert wird.
Der Brennpunkt 80 des Laserstrahls 54 kann so verschoben werden, dass die Brennweite 86 des Laserstrahls 54 abwechselnd über eine gesamte Schwingungshöhe 118 von 0,1 mm bis 1,0 mm oder schmaler von 0,2 mm bis 0,8 mm vergrößert und verkleinert wird. Der Fokusabstand 84 wird vorzugsweise über die gesamte Schwingungshöhe 118 zwischen einer unteren Brennweitenbegrenzung 120 und einer oberen Brennweitenbegrenzung 122 geschwungen. Die untere Brennweitenbegrenzung 120 ist vorzugsweise 0 mm (obwohl sie in 3 zur besseren Veranschaulichung größer als 0 mm ist) und die obere Brennweitenbegrenzung 122 ist vorzugsweise 10 mm oder besser 5 mm von der Ebene 90 entfernt, die in beiden Richtungen einen Fokusabstand von 0 mm festlegt. Somit kann der Brennpunkt 80 über der Metallwerkstückanordnung 10 (d. h. zwischen dem Metallwerkstück 10 und dem lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48), unter der Metallwerkstückanordnung 10 (d. h. auf der dem lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 gegenüberliegenden Seite der Metallwerkstückanordnung 10) oder über und unter der Ebene 90, die den Fokusabstand auf 0 mm einstellt, geschwungen werden. Unabhängig davon, wo genau die Brennpunktoszillationen stattfinden, kann der Brennpunkt 80 mit einer Frequenz von 2 Hz bis 1000 Hz oder, noch enger, im Bereich von 3 Hz bis 100 Hz schwingen. Und während die Schwingungen des Brennpunktes 80 vorzugsweise entlang der gesamten Verbindungsnaht 38 auftreten, können die Schwingungen bei anderen Ausführungsformen bei mindestens 50 % der Verbindungsnaht 38 auftreten, entlang derer der Laserstrahl 54 vorgeschoben wird.
Der Brennpunkt 80 des Laserstrahls 54 kann mechanisch oder optisch schwingen. Der Brennpunkt 80 kann durch ein Linearstellglied 124 (1), auf dem der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 am Roboterarm 96 montiert ist, mechanisch geschwungen werden. Das Linearstellglied 124 bewegt den lasergelöteten optischen Fokussierkopf 48 physikalisch nach oben und unten gegenüber der Metallwerkstückanordnung 10 und kann servomotorisch oder hydraulisch, pneumatisch, piezoelektrisch oder elektrisch-mechanisch angetrieben werden, um nur einige alternative Antriebsmechanismen zu nennen. In diesem Szenario bleibt die Brennweite 84 des Laserstrahls 54 konstant, während die Brennweite 86 des Laserstrahls 86 abwechselnd im Gleichklang mit der Auf- und Abwärtsbewegung des optischen Fokussierkopfes 48 vergrößert und verkleinert wird. Der Brennpunkt 80 kann durch Betätigen der adaptiven Fokussieroptikanordnung 94 optisch oszilliert werden, um die Brennweite 84 des Laserstrahls 54 wiederholt zu variieren. In diesem Szenario wird der optische Laserstrahllöt-Fokussierkopf 48 in einer glatten Bahn über die Metallwerkstückanordnung 10 geführt, während die adaptive Optik-Linsenanordnung 94 den Brennpunkt 80 ständig bewegt, um die Brennweite 84 des Laserstrahls 54 wiederholt zu variieren, wodurch sich der Fokusabstand 86 des Laserstrahls 54 abwechselnd entsprechend erhöht und verringert. Die Schwingungen des Brennpunktes 80 ermöglichen jedoch eine bessere Kontrolle des Erwärmens und Aufschmelzens des Fülldrahtes 58, um Lötabweichungen, wie beispielsweise Poren und Spritzer, zu minimieren.
Unter Bezugnahme nun auf 5 wird die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes 80 gegenüber dem Fülldraht 58 gemäß einer weiteren Ausführungsform veranschaulicht, wobei der Fülldraht 58 entlang einer Richtung 126 parallel zur axialen Vorschubrichtung 100 des Fülldrahtes 58 oszilliert. Auf diese Weise wird die Länge 104 des vorderen Endes 102 des Fülldrahtes 58 abwechselnd vergrößert und verkleinert, wenn der Fülldraht 58 oszilliert, das heißt, der durch den Laserstrahl 54 beaufschlagte Teil des Fülldrahtes 58 wird wiederholend vergrößert und verkleinert. Und da der Fülldraht 58 über das Aufschmelzen verbraucht wird, wird der Fülldraht 58 insgesamt weiter in den Laserstrahl 54 eingebracht, während die Schwingungen des Fülldrahtes 58 ausgeführt werden, um zu gewährleisten, dass ständig geschmolzenes Füllmaterial 108 erzeugt wird. Das Zuführen des Fülldrahtes 58 in den Laserstrahl 54 ähnelt im Wesentlichen eher einem Stottern der Vorwärtsbewegung in der axialen Vorschubrichtung 100 als einem konstanten linearen Vorschub. Die Schwingungen des Fülldrahtes 58 können gemäß dieser Vorgehensweise am Drahtvorschub 50 mechanisch angetrieben werden und abwechselnd die Länge 104 des vorderen Endes 102 des Fülldrahtes 58 zwischen 0,1 mm und 1,2 mm oder enger zwischen 0,3 mm und 0,8 mm bei einer Frequenz zwischen 3 Hz und 1000 Hz oder enger zwischen 20 Hz und 100 Hz erhöhen und verringern. Ähnlich wie die Schwingungen des Brennpunktes 80 helfen die Schwingungen des Fülldrahtes 58 gemäß dieser Ausführungsform, das Erwärmen und Aufschmelzen des Fülldrahtes 58 zu steuern und können über mindestens 50% der Verbindungsnaht 38 und vorzugsweise über die gesamte Verbindungsnaht 38, entlang derer der Laserstrahl 54 geführt wird, auftreten.
Unter Bezugnahme nun auf 6 wird die wiederholte Schwankung der Position des Brennpunktes 80 gegenüber dem Fülldraht 58 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform veranschaulicht, wobei der Fülldraht 58 in einer Richtung 128 quer zur axialen Vorschubrichtung 100 des Fülldrahtes 58 oszilliert. Diese Schwingungen bewegen das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 hin und her über die Mittellinienebene 40 der Verbindungsnaht 38 beim Vorschub des Laserstrahls 54 entlang der Verbindungsnaht 38, wobei das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 grundsätzlich zwischen den gegenüberliegenden Bereichen 28', 34' der ersten und zweiten oberen Deckflächen 28, 34 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 gewechselt wird. Das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 kann einen Gesamtabstand von 130 in Querrichtung 128 im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm oder enger im Bereich von 0,3 mm bis 1,2 mm durchlaufen. Und die Frequenz der Schwingungen des Fülldrahtes 58 in Querrichtung 128 kann im Bereich von 2 Hz bis 1500 Hz oder noch enger im Bereich von 3 Hz bis 100 Hz liegen. Die Schwingungen des Fülldrahtes 58 können gemäß dieser Vorgehensweise am Drahtvorschub 50 mechanisch angetrieben werden und über mindestens 50 % der Verbindungsnaht 38, vorzugsweise über die gesamte Verbindungsnaht 38, entlang derer der Laserstrahl 54 geführt wird, auftreten. Die Schwingungen des Fülldrahtes 58 gemäß dieser Ausführungsform begünstigen eine bessere Verteilung des aufgeschmolzenen Füllstoffs XX innerhalb der Verbindungsnaht 38 und damit eine bessere Benetzung der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14.
Bei einer bestimmten Implementierung des offenbarten Laserlötverfahrens kann der Brennpunkt 80 des Laserstrahls 54 oszilliert werden, um die Brennweite 86 des Laserstrahls 54, wie in 3 veranschaulicht, abwechselnd zu erhöhen und zu verringern, während gleichzeitig der Fülldraht 58 oszilliert wird, um das vordere Ende 102 des Fülldrahtes 58 über die Mittellinienebene 40 der Verbindungsnaht 38, wie in 6 veranschaulicht, während der Bewegung des Laserstrahls 54 entlang mindestens eines Teils der Verbindungsnaht 38 hin- und herzubewegen. Diesbezüglich kann der Fülldraht 58 kontrolliert erwärmt und geschmolzen werden und der geschmolzene Füllstoff 108 kann gleichzeitig über die Verbindungsnaht 38 verteilt werden, um eine breite Benetzung und einen guten Kontakt zwischen dem geschmolzenen Füllstoff 108 und den gegenüberliegenden Bereichen 28', 34' der ersten und zweiten Deckflächen 28, 34 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 zu erreichen. Durch die gleichzeitige Implementierung dieser beiden Formen der Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt 80 des Laserstrahls 54 und dem vorderen Ende 102 des Fülldrahtes 58 wird der geschmolzene Füllstoff 108 innerhalb und entlang der Verbindungsnaht 38 beim Vorschub des Laserstrahls 54 entlang der Verbindungsnaht 38 am effektivsten aufgeschmolzen und dosiert, zumindest im Hinblick auf die Verringerung von Lötabweichungen und die Förderung eines guten Benetzungsverhaltens des geschmolzenen Füllmaterials 108 an den beiden Metallwerkstücken 12, 14.
Der aufgeschmolzene Füllstoff 108, der im Zuge der Vorwärtsbewegung des Laserstrahls 54 innerhalb der Verbindungsnaht 38 abgegeben wird, benetzt zumindest die gegenüberliegenden Bereiche 28', 34' der ersten und zweiten Deckflächen 28, 34 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 und verfestigt sich schließlich in der Lötverbindung 44, welche die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 miteinander verbindet. Die Verbindung der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 kann durch eine metallurgische Verbindung erfolgen. Die Lötverbindung 44 weist eine Deckfläche 132 auf, die sich zwischen der ersten Deckfläche 28 des ersten Metallwerkstücks 12 und der zweiten Deckfläche 34 des zweiten Metallwerkstücks 14 über die Verbindungsnaht 38 erstreckt, um die beiden Deckflächen 28, 34 in die gemeinsame Deckfläche 42 der Metallwerkstückanordnung 10 zusammenzufügen. Die gemeinsame Oberfläche 42 kann nun weiterverarbeitet werden. So kann beispielsweise die gemeinsame Oberfläche 42 mit jeder geeigneten Technik, wie beispielsweise Puffern, Bürsten oder Schleifen, insbesondere im Bereich der Deckfläche 132 der Lötverbindung 44, geglättet und dann so lackiert werden, dass sie im Gegensatz zu zwei miteinander verbundenen Oberflächen wie eine einzige einheitliche Oberfläche wirkt. Diese Art der Weiterverarbeitung wird häufig praktiziert, wenn die gemeinsame Oberfläche 42 eine Klasse A- oder Oberflächengüte aufweisen muss, da sie Teil einer Außenfläche eines Fahrzeugs oder eines anderen hergestellten Gegenstands sein soll, dessen Erscheinungsbild Bestandteil der Gesamtteilqualität ist.
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und spezielle Beispiele besitzen lediglich einen beschreibenden Charakter; sie sollen nicht den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0020]

Claims

Verfahren zum Laserstrahllöten einer Metallwerkstückanordnung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Metallwerkstückanordnung, die ein erstes Metallwerkstück und ein zweites Metallwerkstück beinhaltet, wobei die ersten und zweiten Metallwerkstücke eine Verbindungsnaht bilden; Vorschieben eines Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht, während ein Fülldraht in den Laserstrahl eingeführt wird, um ein vorderes Ende des Fülldrahts, das vom Laserstrahl beaufschlagt wird, zu schmelzen, um geschmolzenes Füllmaterial innerhalb und entlang der Verbindungsnaht zu erzeugen und abzugeben, während der Laserstrahl entlang der Verbindungsnaht vorgeschoben wird, wobei das geschmolzene Füllmaterial hinter dem Laserstrahl zu einer Lötverbindung aushärtet; und Wiederholtes Schwanken einer Position eines Brennpunktes des Laserstrahls in Bezug auf den Fülldraht während des Vorschubs des Laserstrahls entlang mindestens eines Teils der Verbindungsnaht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das wiederholte Schwanken der Position des Brennpunkts des Laserstrahls in Bezug auf den Fülldraht das Schwingen des Brennpunkts entlang einer Längsachse des Laserstrahls umfasst, um dadurch abwechselnd eine Brennweite des Laserstrahls während des Vorschubs des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht zu erhöhen und zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Brennpunkt des Laserstrahls so oszilliert wird, dass die Brennweite des Laserstrahls abwechselnd über eine gesamte Schwingungshöhe zwischen 0,1 mm und 1,0 mm bei einer Frequenz von 2 Hz bis 1000 Hz vergrößert und verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das wiederholte Schwanken der Position des Brennpunktes des Laserstrahls in Bezug auf den Fülldraht das Schwingen des Fülldrahtes entlang einer Richtung parallel zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes umfasst, um abwechselnd eine Länge des vorderen Endes des Fülldrahtes während des Vorschubs des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht zu erhöhen und zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 4, worin der Fülldraht so oszilliert wird, dass die Länge des Fülldrahtes abwechselnd in einem Längenbereich von 0,1 mm bis 0,8 mm bei einer Frequenz von 3 Hz bis 1000 Hz vergrößert und verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das wiederholte Schwanken der Position des Brennpunkts des Laserstrahls in Bezug auf den Fülldraht das Oszillieren des Fülldrahtes entlang einer Richtung quer zu einer axialen Vorschubrichtung des Fülldrahtes umfasst, um das vordere Ende des Fülldrahtes während des Vorschubs des Laserstrahls entlang der Verbindungsnaht hin und her über eine Mittellinienebene der Verbindungsnaht zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Fülldraht so oszilliert wird, dass das vordere Ende des Fülldrahts über die Mittellinienebene der Verbindungsnaht über einen Abstand von 0,1 mm bis 2,0 mm bei einer Frequenz von 2 Hz bis 1500 Hz bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin mindestens eines der ersten Metallwerkstücke oder das zweite Metallwerkstück ein Stahlwerkstück ist, das eine Oberflächenbeschichtung aus einem Beschichtungsmaterial auf Zinkbasis oder einem Beschichtungsmaterial auf Aluminiumbasis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der ersten Metallwerkstücke oder das zweite Metallwerkstück ein Werkstück aus einer Aluminiumlegierung ist, das eine Oberflächenbeschichtung aus einem feuerfesten Oxidmaterial umfasst.
Verfahren zum Laserstrahllöten einer Metallwerkstückanordnung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Vorschieben eines Laserstrahls entlang einer Verbindungsnaht zwischen einem ersten Metallwerkstück und einem zweiten Metallwerkstück einer Metallwerkstückanordnung, wobei der Laserstrahl einen Brennpunkt aufweist; Zuführen eines Fülldrahtes in den Laserstrahl, während der Laserstrahl entlang der Verbindungsnaht vorgeschoben wird, um ein vorderes Ende des Fülldrahtes, das vom Laserstrahl beaufschlagt wird, zu schmelzen, um geschmolzenes Füllmaterial innerhalb und entlang der Verbindungsnaht herzustellen und abzugeben; und wiederholtes Schwanken einer Position des Brennpunktes des Laserstrahls in Bezug auf den Fülldraht beim Vorschieben des Laserstrahls entlang zumindest eines Teils der Verbindungsnaht, wobei das geschmolzene Füllmaterial hinter dem Laserstrahl zu einer Lötverbindung verfestigt wird, welche die ersten und zweiten Metallwerkstücke metallurgisch miteinander verbindet.