DE102018126918A1

DE102018126918A1 - Fügen von ungleichen Metallen

Info

Publication number: DE102018126918A1
Application number: DE102018126918.8A
Authority: DE
Inventors: David Yang; Wu Tao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2019-05-02
Also published as: CN109746573B; CN109746573A; US20190126402A1

Abstract

Ein Verfahren zum Schweißen einer Werkstückstapelanordnung, die ungleiche Metallwerkstücke beinhaltet, schließt das Schmelzen eines Abschnitts eines oberen Metallwerkstücks ein, das über einem darunterliegenden Metallwerkstück liegt und mindestens ein eindringendes hohles Merkmal bedeckt, das in dem darunterliegenden Metallwerkstück definiert ist. Die Schmelze des oberen Metallwerkstücks fließt in das mindestens eine im darunterliegenden Metallwerkstück definierte Eindringungsmerkmal und bildet beim Verfestigen darin eine Schweißverbindung, die das obere und das darunterliegende Metallwerkstück metallurgisch miteinander verbindet. Das obere Metallwerkstück umfasst ein Basismetallsubstrat und das darunterliegende Metallwerkstück umfasst ein Basismetallsubstrat. Das Basismetallsubstrat des oberen Metallwerkstücks unterscheidet sich vom Basismetallsubstrat des unteren Metallwerkstücks und weist einen Schmelzpunkt auf, der kleiner als ein Schmelzpunkt des Basismetallsubstrats des unteren Metallwerkstücks ist.

Description

EINLEITUNG
Das Laserschweißen ist ein Metallfügeverfahren basierend auf einem Laserstrahl, der die Wärme bereitstellt, die zum Fügen einer Baugruppe von gestapelten Metallwerkstücken erforderlich ist. Das Laserschweißen wird seit langem zum Schmelzschweißen von ähnlich zusammengesetzten Metallwerkstücken eingesetzt. Im Allgemeinen werden komplementäre Flansche oder andere Klebebereiche von zwei oder mehr ähnlich zusammengesetzten Werkstücken zunächst so ausgerichtet, montiert und gestapelt, dass sich ihre Passflächen überlappen und zur Bildung einer oder mehrerer Passschnittstellen gegenüberstehen. Ein Laserstrahl wird dann auf eine zugängliche Oberseite des Werkstückstapels innerhalb eines vom überlappenden Teil der Metallwerkstücke überspannten Schweißbereichs gerichtet. Die durch die Absorption von Energie aus dem Laserstrahl erzeugte Wärme löst das Schmelzen der Metallwerkstücke aus und bildet ein Metallschmelzbad im Werkstückstapel. Das Metallschmelzbad dringt in den Stapel ein und schneidet mindestens eine und üblicherweise alle der hergestellten Passschnittstellen. Wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug ist, entsteht unterhalb eines Strahlpunktes des Laserstrahls im Metallschmelzbad ein sogenanntes Schlüsselloch. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, die Plasma beinhalten kann, das von den metallischen Werkstücken stammt. Das Schlüsselloch ist ein effektiver Absorber von Energie vom Laserstrahl und ermöglicht so ein tiefes und enges Eindringen von geschmolzenem Werkstückmetall in den Stapel.
Das Metallschmelzbad und, falls vorhanden, das Schlüsselloch werden in sehr kurzer Zeit erzeugt, wenn der Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels trifft. Nachdem die metallischen Werkstücke geschmolzen sind, kann der Strahlpunkt des Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des Werkstückstapels verschoben werden, was die Bewegung des Laserstrahls entlang eines Strahlverlaufsmusters mit einem relativ einfachen geometrischen Profil, das auf die Oberseite des Stapels projiziert wird, beinhalten kann. Während der Laserstrahl entlang der Oberseite des Stapels vorgeschoben wird, fließt geschmolzenes Werkstückmetall aus dem Metallschmelzbad um und hinter den vorrückenden Strahlpunkt innerhalb des Werkstückstapels. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmetall kühlt und erstarrt im Zuge des fortschreitenden Laserstrahls schnell zu einem wieder erstarrten Metallwerkstückmaterial. Die Übertragung des Laserstrahls an der Oberseite des Werkstückstapels wird schließlich beendet, sobald der Laserstrahl das Strahlführungsmuster beendet hat, wobei das Schlüsselloch, falls vorhanden, zusammenbricht und das noch im Stapel verbliebene geschmolzene Werkstückmetall erstarrt. Das durch den Betrieb des Laserstrahls gewonnene kollektive, wieder erstarrte Werkstückmaterial bildet eine Laserschweißverbindung, welche die überlappenden metallischen Werkstücke autogen verschweißt.
Das Laserschweißen ist ein attraktives Fügeverfahren, da es nur einen einseitigen Zugang erfordert, mit reduzierten Flanschbreiten praktiziert werden kann und zu einer relativ kleinen Wärmeeinflusszone innerhalb der Stapelanordnung führt, die den Wärmeverzug in den metallischen Werkstücken minimiert. Aus diesem Grund verwenden eine Reihe von Branchen das Laserschweißen als Teil ihrer Fertigungspraxis, darunter unter anderem, jedoch nicht beschränkt auf die Automobil-, Luftfahrt-, See-, Eisenbahn- und Bauindustrie. In der Automobilindustrie können beispielsweise mit dem Laserschweißen metallische Werkstücke bei der Herstellung der Rohkarosserie (BIW) sowie fertige Anbauteile, die vor dem Lackieren auf der BIW montiert werden, miteinander verbunden werden. Einige spezifische Anwendungsbereiche des Laserschweißens sind die Konstruktion und Befestigung von tragenden Karosseriestrukturen innerhalb der BIW, wie beispielsweise Schienenkonstruktionen, Wippen, A-, B- und C-Säulen sowie Unterbodenquerträger. Weitere spezifische Anwendungsbereiche des Laserschweißens sind nichttragende Befestigungen innerhalb der BIW, wie beispielsweise die Befestigung eines Daches an einer Seitenwand und die Verbindung von darüberliegenden Flanschen bei der Konstruktion von Türen, Haube und Kofferraum.
In letzter Zeit jedoch, und insbesondere in der Automobilindustrie, ist das Interesse am Fügen ungleicher metallischer Werkstücke gewachsen, sodass bestimmte Metalle innerhalb des herzustellenden Produkts nach dem Nutzen der einzelnen Metalle besser verteilt werden können. So kann beispielsweise die Herstellung eines Automobil-BIW die Verwendung von Stahl in Bereichen erfordern, in denen Festigkeit erforderlich ist, aber auch die Verwendung von Aluminium in Bereichen, in denen leichtere Metalle ebenso akzeptabel sind. Daher kann es erforderlich sein, dass Werkstücke aus Aluminium und Stahl an verschiedenen Stellen im gesamten BIW zusammengefügt werden müssen. Das Laserschweißen von ungleichen metallischen Werkstücken stellt eine Vielzahl von Herausforderungen dar, da die Werkstücke zwangsläufig unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise Schmelzpunkte und Wärmeleitfähigkeiten. Darüber hinaus kann für den Fall, dass beide metallischen Werkstücke tatsächlich geordnet durch einen Laserstrahl geschmolzen werden können, das Vermischen von unterschiedlichem geschmolzenem Metallmaterial von jedem der ungleichen Metallwerkstücke zum großflächigen Bilden von spröden Intermetalllegierungen führen, die das Potenzial aufweisen, die resultierende Laserschweißnaht stark zu schwächen.
Aufgrund der metallurgischen und praktischen Herausforderungen beim Fügen ungleicher metallischer Werkstücke mit einer Wärmequelle, wie beispielsweise einem Laserstrahl, setzten die Produkthersteller bei der Herstellung der erforderlichen Verbindung überwiegend auf mechanische Verbindungselemente, wie beispielsweise Stanznieten und Fließlochschrauben. Mechanische Verbindungselemente benötigen jedoch mehr Zeit zum Einpassen und verursachen im Vergleich zum Laserschweißen hohe Materialkosten. Sie erhöhen auch das Gewicht des Fahrzeugs - das Gewicht, das vermieden wird, wenn das Zusammenfügen durch Laserschweißen erfolgt - wodurch ein Teil der Gewichtsersparnis durch das Verwenden von ungleichen Metallwerkstücken wieder aufgewogen wird. Des Weiteren erfordern mechanische Verbindungselemente zusätzliche Fertigungseinrichtungen und Platzverhältnisse, die möglicherweise vermieden werden könnten, wenn die ungleichen metallischen Werkstücke mit bestehenden Laserschweißanlagen verbunden werden könnten. Fortschritte beim Laserschweißen, die das Fügen ungleicher metallischer Werkstücke erleichtern würden, wären somit eine willkommene Ergänzung der Technik.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren zum Schweißen einer Werkstückstapelanordnung, die ungleiche metallische Werkstücke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet, kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt ist eine Werkstückstapelanordnung vorgesehen, die ein oberes Metallwerkstück und ein darunterliegendes Metallwerkstück beinhaltet, die sich überlappen, um einen überlappenden Schweißbereich zu definieren. Das obere Metallwerkstück liegt über dem darunter liegenden Metallwerkstück und bedeckt mindestens ein eindringendes hohles Merkmal, das in dem darunter liegenden Metallwerkstück definiert ist. Das obere Metallwerkstück umfasst ein Basismetallsubstrat und das darunterliegende Metallwerkstück umfasst ein Basismetallsubstrat. Das Basismetallsubstrat des oberen Metallwerkstücks unterscheidet sich vom Basismetallsubstrat des unteren Metallwerkstücks und weist einen Schmelzpunkt auf, der kleiner als ein Schmelzpunkt des Basismetallsubstrats des unteren Metallwerkstücks ist. In einem weiteren Schritt wird ein Abschnitt des oberen Metallwerkstücks mit einer konzentrierten Wärmequelle geschmolzen, um geschmolzenes Metallmaterial des oberen Metallwerkstücks zu erzeugen, das in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal einströmt, das im darunter liegenden Werkstück definiert ist. In einem weiteren Schritt wird das geschmolzene Metallmaterial des oberen Metallwerkstücks in dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal, das im unteren Werkstück definiert ist, verfestigt, um eine Schweißverbindung herzustellen, die das obere Metallwerkstück und das untere Metallwerkstück metallurgisch miteinander verbindet.
Das Verfahren der vorgenannte Ausführungsform kann verschiedene Schritte beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise der Schritt des Bereitstellens der Werkstückstapelanordnung das Bilden des mindestens einen eindringenden hohlen Merkmals in dem darunter liegenden Metallwerkstück und das Zusammensetzen des oberen Metallwerkstücks und des darunter liegenden Metallwerkstücks in der Werkstückstapelanordnung beinhalten. Das mindestens eine eindringende hohle Merkmal kann gebildet werden, indem ein Laserstrahl zum Schmelzen und Entfernen von Material aus dem darunter liegenden Metallwerkstück auf das darunterliegende Metallwerkstück gerichtet wird. Als ein weiteres Beispiel kann der Schritt des Schmelzens des Abschnitts des oberen Metallwerkstücks mit der konzentrierten Wärmequelle das Richten eines Laserstrahls auf eine zugängliche Außenfläche des oberen Metallwerkstücks und das Trainieren eines Strahlpunktes des Laserstrahls an der zugänglichen Außenfläche oder das Vorschieben des Strahlpunktes in Bezug auf die zugängliche Außenfläche entlang eines Strahlbewegungsmusters beinhalten, um den Abschnitt des oberen Metallwerkstücks zu schmelzen. Das Richten des Laserstrahls auf die zugängliche Außenfläche des oberen Metallwerkstücks kann das Betreiben eines optischen Abtastlaserkopfes umfassen, um den Laserstrahl auf die zugängliche Außenfläche des oberen Metallwerkstücks zu richten, wobei der Laserstrahl eine Brennweite in einem Bereich von 0,4 Metern bis 2,0 Metern aufweist.
Die im darunter liegenden Metallwerkstück gebildeten eindringenden hohlen Merkmale können nach dem Verfahren der vorgenannten Ausführungsform eine Vielzahl von Formen und Größen annehmen. In einer Implementierung kann das eindringende hohle Merkmal ein Durchgangsloch sein, das eine Dicke des darunter liegenden Metallwerkstücks vollständig durchläuft. Das Durchgangsloch kann durch eine Innenfläche des darunter liegenden Metallwerkstücks definiert werden. Die Innenfläche des darunterliegenden Metallwerkstücks kann so gezackt sein, dass die Innenfläche, die das Durchgangsloch definiert, eine oder mehrere Kerben aufweist, die axial beabstandet sind und sich zumindest teilweise entlang eines Umfangs der Innenfläche erstrecken. In einer weiteren Implementierung kann das eindringende hohle Merkmal ein Hohlraum sein, der zu einer angrenzenden Passfläche des oberen Metallwerkstücks offen ist und nur teilweise eine Dicke des darunter liegenden Metallwerkstücks durchläuft. Der Hohlraum kann durch eine Innenfläche des darunter liegenden Metallwerkstücks definiert werden. Die Innenfläche des darunterliegenden Metallwerkstücks kann so gezackt sein, dass die Innenfläche, die den Hohlraum definiert, eine oder mehrere Kerben aufweist, die axial beabstandet sind und sich zumindest teilweise entlang eines Umfangs der Innenfläche erstrecken.
Die Werkstückstapelanordnung des Verfahrens der vorgenannten Ausführungsform kann neben den oberen und unteren Metallwerkstücken mindestens ein zusätzliches Metallwerkstück beinhalten. So kann beispielsweise in einer Implementierung die Werkstückstapelanordnung ein erstes darunter liegendes Metallwerkstück und ein zweites darunter liegendes Metallwerkstück beinhalten. Zu diesem Zweck überlagert das obere Metallwerkstück das erste darunter liegende Metallwerkstück, und das erste darunter liegende Metallwerkstück überlagert das zweite darunter liegende Metallwerkstück. Das erste darunterliegende Metallwerkstück definiert mindestens ein eindringendes hohles Merkmal, das eine Dicke des ersten darunter liegenden Metallwerkstücks vollständig durchläuft und mit mindestens einem eindringenden hohlen Merkmal verbunden ist, das in dem zweiten darunter liegenden Metallwerkstück definiert ist. Das geschmolzene Metallmaterial des oberen Metallwerkstücks fließt somit in und durch das mindestens eine eindringende hohle Merkmal, das in dem ersten darunter liegenden Metallwerkstück definiert ist, sowie in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal, das in dem zweiten darunter liegenden Metallwerkstück definiert ist. Darüber hinaus kann das in das zweite darunter liegende Metallwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal ein Hohlraum sein, der zu einer angrenzenden Passfläche des ersten darunter liegenden Metallwerkstücks hin offen ist und eine Dicke des zweiten darunter liegenden Metallwerkstücks nur teilweise durchläuft. Der Hohlraum kann durch eine Innenfläche des zweiten darunter liegenden Metallwerkstücks definiert werden. Die Innenfläche kann so gezackt sein, dass die Innenfläche, die den Hohlraum definiert, eine oder mehrere Kerben aufweist, die axial beabstandet sind und sich zumindest teilweise entlang eines Umfangs der Innenfläche erstrecken.
Weitere Variationen des Verfahrens der vorgenannten Ausführungsform sind durchaus möglich. So kann beispielsweise das obere Metallwerkstück ein Aluminiumwerkstück und das darunterliegende Metallwerkstück ein Stahlwerkstück sein. Als weiteres Beispiel kann das mindestens eine eindringende hohle Merkmal eine Vielzahl von eindringenden hohlen Merkmalen umfassen. Andere Variationen, die hier nicht ausdrücklich erwähnt werden, sind ebenfalls möglich.
Ein Verfahren zum Schweißen einer Werkstückstapelanordnung, die ungleiche metallische Werkstücke gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet, kann mehrere Schritte beinhalten. In einem Schritt kann mindestens ein eindringendes hohles Merkmal in einem Stahlwerkstück ausgebildet sein. In einem weiteren Schritt können ein Aluminiumwerkstück und das Stahlwerkstück zu einer Werkstückstapelanordnung zusammengesetzt werden, bei welcher das Aluminiumwerkstück das Stahlwerkstück überlappt und das mindestens eine im Stahlwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal abdeckt. In noch einem weiteren Schritt wird ein Abschnitt des Aluminiumwerkstücks mit einem Laserstrahl geschmolzen, um geschmolzenes Aluminiummaterial zu erzeugen, das in das mindestens eine im Stahlwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal einströmt. In einem weiteren Schritt wird das geschmolzene Aluminiummaterial in dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal, das in dem Stahlwerkstück definiert ist, verfestigt, um eine Schweißverbindung herzustellen, die das Aluminiumwerkstück und das Stahlwerkstück miteinander verbindet.
Das Verfahren der vorgenannte Ausführungsform kann verschiedene Schritte beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise das eindringende hohle Merkmal ein Durchgangsloch sein, das eine Dicke des Stahlwerkstücks vollständig durchläuft, oder es kann ein Hohlraum sein, der zu einer angrenzenden Passfläche des Aluminiumwerkstücks offen ist und eine Dicke des Stahlwerkstücks nur teilweise durchläuft. In beiden Fällen kann die Innenfläche des Stahlwerkstücks, die das eindringende hohle Merkmal definiert, gezahnt sein. In einem weiteren Beispiel kann der Schritt des Schmelzens des Abschnitts des Aluminiumwerkstücks mit dem Laserstrahl das Richten des Laserstrahls auf eine zugängliche Außenfläche des Aluminiumwerkstücks von einem abtastenden optischen Laserkopf einer entfernten Laserschweißvorrichtung mit dem Laserstrahl mit einer Brennweite im Bereich von 0,4 Metern bis 2,0 Metern und das Trainieren eines Strahlpunktes des Laserstrahls an der zugänglichen Außenfläche oder das Vorschieben des Strahlpunktes in Bezug auf die zugängliche Außenfläche entlang eines Strahlbewegungsmusters zum Schmelzen des Abschnitts des Aluminiumwerkzeugs beinhalten. In noch einem weiteren Beispiel kann das Verfahren ferner das Positionieren eines Fülldrahts in Bezug auf den Laserstrahl beinhalten, sodass der Fülldraht durch den Laserstrahl beaufschlagt wird, um den Fülldraht zu schmelzen und geschmolzenes Füllmaterial in das geschmolzene Aluminiummaterial einzubringen.
Die Werkstückstapelanordnung des Verfahrens der vorgenannten Ausführungsform kann neben den oberen und unteren Metallwerkstücken mindestens ein zusätzliches Metallwerkstück beinhalten. So kann beispielsweise der Schritt des Zusammensetzens des Aluminiumwerkstücks und des Stahlwerkstücks in die Werkstückstapelanordnung das Zusammensetzen des Aluminiumwerkstücks, des Stahlwerkstücks und eines zusätzlichen Aluminiumwerkstücks in den Werkstückstapel beinhalten. Das Aluminiumwerkstück überlappt das Stahlwerkstück und bedeckt das mindestens eine im Stahlwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal, das eine Dicke des Stahlwerkstücks vollständig durchläuft, und das Stahlwerkstück überlappt das zusätzliche Aluminiumwerkstück derart, dass das mindestens eine im Stahlwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal mit mindestens einem im zusätzlichen Aluminiumwerkstück definierten eindringenden hohlen Merkmal verbunden ist.
Figurenliste

1 ist eine allgemeine Darstellung einer Werkstückstapelanordnung, die überlappende ungleiche metallische Werkstücke zusammen mit einer entfernten Laserschweißvorrichtung beinhaltet, die das offenbarte Verfahren zum Fügen der überlappenden ungleichartigen metallischen Werkstücke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchführen kann;
2 ist eine Querschnittsansicht des darunter liegenden Metallwerkstücks der in 1 dargestellten Werkstückstapelanordnung während dem Bilden eines eindringenden hohlen Merkmals in das darunter liegende Metallwerkstück gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Werkstückstapelanordnung, bei welcher das obere Metallwerkstück über das darunter liegende Metallwerkstück gelegt wird, um das im darunter liegenden Metallwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung abzudecken;
4 ist eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Werkstückstapelanordnung, in welcher ein von der entfernten Laserschweißvorrichtung übertragener Laserstrahl (hierin als Schweißlaserstrahl bezeichnet) als Wärmequelle dient, die das obere Metallwerkstück schmilzt, sodass geschmolzenes Metallmaterial vom oberen Metallwerkstück in das im unteren Metallwerkstück definierte, eindringende hohle Merkmal einströmt und letztendlich zu einer Schweißverbindung führt, welche die beiden Metallwerkstücke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung miteinander befestigt;
5 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des eindringenden hohlen Merkmals, das innerhalb des darunter liegenden Metallwerkstücks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet werden kann;
6 ist eine Querschnittsansicht einer Werkstückstapelanordnung, die das in 5 dargestellte darunterliegende Metallwerkstück sowie einen Laserstrahl (hierin als Schweißlaserstrahl bezeichnet) beinhaltet, der von der entfernten Laserschweißvorrichtung als Wärmequelle übertragen wird, die das obere Metallwerkstück schmilzt, sodass geschmolzenes Metallmaterial vom oberen Metallwerkstück in das im darunter liegenden Metallwerkstück definierte, eindringende hohle Merkmal einströmt und letztendlich zu einer Schweißverbindung führt, welche die beiden Metallwerkstücke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung miteinander befestigt;
7 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des eindringenden hohlen Merkmals, das innerhalb des darunter liegenden Metallwerkstücks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet werden kann;
8 ist eine Querschnittsansicht einer Werkstückstapelanordnung, die das in 7 dargestellte darunterliegende Metallwerkstück sowie einen Laserstrahl (hierin als Schweißlaserstrahl bezeichnet) beinhaltet, der von der entfernten Laserschweißvorrichtung als Wärmequelle übertragen wird, die das obere Metallwerkstück schmilzt, sodass geschmolzenes Metallmaterial vom oberen Metallwerkstück in das im darunter liegenden Metallwerkstück definierte, eindringende hohle Merkmal einströmt und letztendlich zu einer Schweißverbindung führt, welche die beiden Metallwerkstücke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung miteinander befestigt;
9 ist eine Draufsicht, die eine Vielzahl von eindringenden hohlen Merkmalen darstellt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in dem darunter liegenden Metallwerkstück gebildet werden können;
10 ist eine Draufsicht, die eine Vielzahl von eindringenden hohlen Merkmalen darstellt, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in dem darunter liegenden Metallwerkstück gebildet werden können;
11 ist eine Draufsicht, die eine Vielzahl von eindringenden hohlen Merkmalen darstellt, die in dem darunter liegenden Metallwerkstück gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet werden können;
12 ist eine Querschnittsansicht einer Werkstückstapelanordnung, bei welcher das obere Metallwerkstück über ein erstes darunterliegendes Metallwerkstück und ein zweites darunterliegendes Metallwerkstück, welches unter dem ersten darunter liegenden Metallwerkstück liegt, gelegt wird, um ein in das erste darunterliegende Metallwerkstück definiertes, eindringendes hohles Merkmal abzudecken, das eine Dicke des darunter liegenden Metallwerkstücks vollständig durchläuft und mit einem in das zweite darunter liegende Metallwerkstück definierten, eindringenden hohlen Merkmal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verbunden ist; und
13 ist eine Querschnittsansicht der in 12 dargestellten Werkstückstapelanordnung, in welcher ein von der entfernten Laserschweißvorrichtung übertragener Laserstrahl (hierin als Schweißlaserstrahl bezeichnet) als Wärmequelle dient, die das obere Metallwerkstück schmilzt, sodass geschmolzenes Metallmaterial aus dem oberen Metallwerkstück in und durch das im ersten darunter liegenden Metallwerkstück definierte, eindringende hohle Merkmal strömt und letztendlich zu einer Schweißverbindung führt, welche die drei Metallwerkstücke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung miteinander befestigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zum Fügen ungleicher Metallwerkstücke beinhaltet das Zusammensetzen einer Werkstückstapelanordnung, die mindestens ein oberes Metallwerkstück und ein darunterliegendes Metallwerkstück beinhaltet, wobei das obere Metallwerkstück ein Basismetallsubstrat umfasst und das darunterliegende Metallwerkstück ein Basismetallsubstrat umfasst, das sich von dem Basismetallsubstrat des oberen Metallwerkstücks unterscheidet. Zusätzlich weist das Basismetallsubstrat des oberen Metallwerkstücks einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Basismetallsubstrat des darunterliegenden Metallwerkstücks. Das obere Metallwerkstück und das darunterliegende Metallwerkstück überlappen sich, um einen überlappenden Schweißbereich zu definieren, wobei das obere Metallwerkstück innerhalb des überlappenden Schweißbereichs mindestens ein im darunterliegenden Metallwerkstück definiertes, eindringendes hohles Merkmal abdeckt. Eine konzentrierte Wärmequelle wird dann auf das obere Metallwerkstück gerichtet, um einen Abschnitt des oberen Metallwerkstücks über dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal zu schmelzen, das in dem darunterliegenden Metallwerkstück definiert ist, um geschmolzenes Metallmaterial zu erzeugen. Das geschmolzene Metallmaterial des oberen Metallwerkstücks strömt in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal, das in dem ersten darunterliegenden Metallwerkstück definiert ist. Dieser infiltrierende Strom von geschmolzenem Metallmaterial wird schließlich in dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal verfestigt - typischerweise durch Unterbrechen oder Verschieben der konzentrierten Wärmequelle - um eine Schweißverbindung herzustellen, welche die oberen und unteren Metallwerkstücke metallurgisch miteinander verbindet.
Die konzentrierte Wärmequelle, die zum Schmelzen des oberen Metallwerkstücks verwendet wird, kann eine Vielzahl von Formen annehmen, einschließlich eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Die konzentrierte Wärmequelle ist jedoch vorzugsweise ein Laserstrahl. Zum Übertragen des Laserstrahls kann jede Art von Laserschweißvorrichtung verwendet werden, einschließlich beispielsweise einer entfernten Laserschweißvorrichtung oder einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung. Der übertragene Laserstrahl kann ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein, abhängig von den Eigenschaften der zu verbindenden metallischen Werkstücke und dem Laserschweißmodus (Leitung, Schlüsselloch, usw.), der praktiziert werden soll. 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. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, die im Folgenden näher beschrieben wird, wird eine entfernte Laserschweißvorrichtung eingesetzt, um den Abschnitt des oberen Metallwerkstücks bei Bedarf zu schmelzen, damit geschmolzenes Metallmaterial aus dem oberen Metallwerkstück in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal, das innerhalb des darunter liegenden Metallwerkstücks definiert ist, einströmt. Die entfernte Laserschweißvorrichtung kann auch verwendet werden, um bei Bedarf das mindestens eine eindringende hohle Merkmal zu bilden.
Das offenbarte Verfahren zum Fügen ungleicher Metallwerkstücke kann an einer Vielzahl von Werkstückstapelanordnung-Konfigurationen durchgeführt werden. So kann beispielsweise das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einer Werkstückstapelanordnung verwendet werden, die zwei ungleiche Metallwerkstücke beinhaltet (z. B. 1-10), oder es kann in Verbindung mit einer Werkstückstapelanordnung verwendet werden, die mindestens ein zusätzliches Metallwerkstück beinhaltet - neben dem oberen Metallwerkstück und dem darunterliegenden Metallwerkstück - welches dem oberen Metallwerkstück überlagert (z. B. 12-13). Die Arten und Kombinationen der Metallwerkstücke, die in die Werkstückstapelanordnung aufgenommen werden können, können ebenfalls variieren. Als ein Beispiel kann das obere Metallwerkstück ein Aluminiumwerkstück sein, das ein Aluminium-Basissubstrat beinhaltet (Schmelzpunkt von etwa 570 °C bis 600 °C) und das darunterliegende Metallwerkstück kann ein Stahlwerkstück sein, das ein Basisstahlsubstrat beinhaltet (Schmelzpunkt von etwa 1300 °C bis 1500 °C). Und zusätzlich zu diesen beiden Metallwerkstücken (Al-Stahl) kann das zusätzliche Metallwerkstück, falls vorhanden, ein weiteres Aluminiumwerkstück sein, obwohl auch andere Werkstücke verwendet werden können. Das offenbarte Verfahren wird im Wesentlichen auf die gleiche Weise durchgeführt, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, unabhängig davon, ob die Werkstückstapelanordnung zwei überlappende metallische Werkstücke oder mehr als zwei überlappende metallische Werkstücke beinhaltet. Eventuelle Unterschiede in den Konfigurationen der Werkstückstapelanordnungen lassen sich durch das Anpassen der Eigenschaften des Laserstrahls leicht ausgleichen.
Unter Bezugnahme nun auf die 1-4 wird ein Verfahren zum Fügen von überlappenden, ungleichen Metallwerkstücken, die in einer Werkstückstapelanordnung 10 aufgenommen sind, dargestellt. Die Werkstückstapelanordnung 10 beinhaltet ein oberes Metallwerkstück 12 und ein darunterliegendes Metallwerkstück 14, die sich überlappen, um einen überlappenden Schweißbereich 16 zu definieren. Ebenso wird eine Remote-Laserschweißvorrichtung 18 dargestellt, die das offenbarte Fügeverfahren durchführen kann. Innerhalb des überlappenden Schweißbereichs 16 dieser besonderen Ausführungsform der Werkstückstapelanordnung 10 beinhaltet das obere Metallwerkstück 12 eine zugängliche Außenfläche 20 und eine Passfläche 22, und ebenso beinhaltet das darunterliegende Metallwerkstück 14 eine zugängliche Außenfläche 24 und eine Passfläche 26. Die zugängliche Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 wird der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zur Verfügung gestellt und ist durch einen von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 ausgehenden Laserstrahl 28 zugänglich. Durch die Tatsache, dass für das Laserschweißen nur ein einseitiger Zugang erforderlich ist, muss die Außenfläche 24 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 nicht in gleicher Weise zugänglich gemacht werden. Die hierin verwendeten Begriffe „oberes Metallwerkstück“ und „unteres Metallwerkstück“ sind relative Bezeichnungen, die innerhalb der beiden sich überlappenden ungleichen Metallwerkstücke 12, 14 das Werkstück, das näher an der entfernten Laserschweißvorrichtung 18 (oben) liegt, und das Werkstück, das sich unter diesem „oberen“ Metallwerkstück und weiter von der Laserschweißvorrichtung 18 (unten) entfernt befindet, identifizieren.
Die Passflächen 22, 26 der oberen und darunterliegenden Metallwerkstücke 12, 14 treffen innerhalb des überlappenden Schweißbereichs 16 aufeinander, um eine Passschnittstelle 30 herzustellen. Der Begriff „Passschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung breit verwendet und umfasst ein breites Spektrum von überlappenden Beziehungen zwischen den gegenüberliegenden und Passflächen 22, 26 der Metallwerkstücke 12, 14, die der Praxis des Laserschweißens gerecht werden. So können beispielsweise die Passflächen 22, 26 die Passschnittstelle 30 durch direkten oder indirekten Kontakt herstellen. Die Passflächen 22, 26 sind in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physisch aneinander anliegen und nicht durch eine eigenständige dazwischenliegende Materialschicht oder einen Spalt getrennt sind, die außerhalb der normalen Montagetoleranzbereiche liegen. Die Passflächen 22, 26 sind in indirekten Kontakt miteinander, wenn sie durch eine eigenständige dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind, beispielsweise durch eine Versiegelung oder einen Kleber - und somit nicht die Art von umfassendem physischem grenzflächigem Anliegen erfahren die für den direkten Kontakt typisch ist - aber dennoch nahe genug beieinander sind, dass das Laserschweißen praktiziert werden kann. Als weiteres Beispiel können die Passflächen 22, 26 die Passschnittstelle 30 durch Trennen durch aufgezwungene Spalte herstellen. Diese Spalte können zwischen den Passflächen 22, 26 durch Erzeugen von hervorstehenden Merkmalen auf einer oder beiden der Passflächen 22, 26 durch Laserritzen, mechanisches Kräuseln oder sonstiges auferlegt werden. Die hervorstehenden Merkmale sorgen für intermittierende Kontaktpunkte zwischen den Passflächen 22, 26, die den Abstand der Flächen 22, 26 außerhalb und um die Kontaktpunkte um bis zu 1,0 mm halten.
Wie in 3 am besten dargestellt, beinhaltet das obere Metallwerkstück 12 ein Basismetallsubstrat 32 und das darunterliegende Metallwerkstück 14 ein Basismetallsubstrat 34, das sich von dem Basismetallsubstrat 32 des oberen Metallwerkstücks 12 unterscheidet. Das Basismetallsubstrat 32 des oberen Metallwerkstücks 12 weist einen Schmelzpunkt auf, der kleiner als ein Schmelzpunkt des Basismetallsubstrats 34 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 ist. Jedes der Basismetallsubstrate 32, 34 kann beschichtet oder blank (d. h. unbeschichtet) sein, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Die Oberflächenbeschichtung(en) kann/können auf einer oder beiden der Basismetallsubstrate 32, 34 aus verschiedenen Gründen eingesetzt werden, unter anderem aus Gründen des Korrosionsschutzes, der Festigkeitssteigerung und/oder zur Verbesserung der Verarbeitung, wobei die Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung(en) weitgehend auf der Zusammensetzung der zugehörigen Basismetallsubstrate 32, 34 basiert. Unter Berücksichtigung der Dicken der Basismetallsubstrate 32, 34 und ihrer optionalen Oberflächenbeschichtungen liegt eine Dicke 121 des oberen Metallwerkstücks 12 vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 4,0 mm und eine Dicke 141 des unteren Metallwerkstücks 14 vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest innerhalb des überlappenden Schweißbereichs 16. Die Dicken 121, 141 der oberen und darunterliegenden Metallwerkstücke 12, 14 können identisch oder voneinander verschieden sein.
In einer Ausführungsform ist das obere Metallwerkstück ein Aluminiumwerkstück und das darunterliegende Metallwerkstück ist ein Stahlwerkstück. In diesem Zusammenhang ist das Basismetallsubstrat 32 des oberen Metall-(Aluminium)-Werkstücks 12 ein Basisaluminiumsubstrat, das aus unlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, die mindestens 85 Gew.-% Aluminium beinhaltet. Einige namhafte Aluminiumlegierungen, die das Basisaluminiumsubstrat bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Das Aluminiumsubstrat kann das Basisaluminiumsubstrat in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt werden. So kann beispielsweise Basisaluminiumsubstrat aus einer Aluminium-Knetlegierungsblechschicht der Serien 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx, einem Strangpressstück, einem Schmiedestück oder einem anderen Formteil der Serien 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die als Basisaluminiumsubstrat 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. Das Basisaluminiumsubstrat kann zu einer Vielzahl von Werkstoffzuständen weiter verarbeitet werden, einschließlich getempert (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T).
Das Basisaluminiumsubstrat kann eine beliebige Anzahl von Oberflächenbeschichtungen als Teil des Aluminiumwerkstücks beinhalten. Falls vorhanden, kann die Oberflächenbeschichtung, die das Basisaluminiumsubstrat bedeckt, eine feuerfeste Oxidschicht aus Aluminiumoxidverbindungen sein, wie beispielsweise eine native Oxidschicht, die sich passiv bildet, wenn frisches Aluminium der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt ist und/oder während des Herstellungsprozesses (z. B. Walzzunder) oder anderweitig. Die Oberflächenbeschichtung kann auch eine metallische Beschichtung aus Zink oder Zinn sein, oder eine Metalloxidumwandlungsbeschichtung bestehend aus Oxiden von Titan, Zirkonium, Chrom oder Silizium, wie in der US-Patentanmeldung Nr. US2014/0360986 offenbart. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung, falls vorhanden, liegt zwischen 1 nm und 10 µm, abhängig von der Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung und der Art und Weise, in der die Beschichtung abgeleitet wird, obwohl andere Dicken möglich sind. Passiv gebildete feuerfeste Oxidbeschichtungen weisen beispielsweise häufig Dicken von 2 nm bis 10 nm auf, wenn das darunterliegende Aluminiumsubstrat eine Aluminiumlegierung ist.
Das Basismetallsubstrat 34 des darunterliegenden Metall-(Stahl)-Werkstücks 14 kann aus einer Vielzahl von Stählen bestehen, einschließlich kohlenstoffarmem (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, wie beispielsweise wenn das Stahlwerkstück pressgehärteten Stahl (PHS) beinhaltet. Bevorzugte Zusammensetzungen des Basisstahlsubstrats sind jedoch Weichstahl, Dualphasenstahl und Borstahl, die bei der Herstellung von pressgehärtetem Stahl verwendet werden. Diese drei Stahlsorten weisen höchste Zugfestigkeiten auf, die jeweils zwischen 150 MPa und 500 MPa, zwischen 500 MPa und 1100 MPa und zwischen 1200 MPa und 1800 MPa liegen können. Darüber hinaus kann das Basisstahlsubstrat behandelt worden sein, um einen bestimmten Satz von mechanischen Eigenschaften zu erhalten, einschließlich Wärmebehandlungsverfahren wie Glühen, Abschrecken und/oder Anlassen. Das Basisstahlsubstrat kann auf seine Enddicke warm- oder kaltgewalzt sein.
Das Basisstahlsubstrat kann eine beliebige Anzahl von Oberflächenbeschichtungen als Teil des Stahlsubstrats beinhalten. Wenn vorhanden, kann die Oberflächenbeschichtung, die das Basisstahlsubstrat bedeckt, ein Material auf Zinkbasis oder ein Material auf Aluminiumbasis sein. Einige Beispiele für einen Werkstoff auf Zinkbasis sind Zink oder eine Zinklegierung, wie beispielsweise eine Zink-Nickel-Legierung oder eine Zink-EisenLegierung. Eine Beschichtung auf Zinkbasis kann durch Feuerverzinkung (Feuerverzinkungsbeschichtung), galvanische Verzinkung (galvanische Verzinkungsbeschichtung), Elektrotauchlackierung (galvanisch abgeschiedenes Zink, Zink-Eisen-Legierung oder Zink-Nickel-Legierung) oder galvanisches Glühen (galvanische Zink-Eisen-Legierung) typischerweise bis zu einer Dicke von 2 µm bis 50 µm aufgebracht werden, wobei andere Verfahren und Dicken der erreichten Oberflächenbeschichtung(en) eingesetzt werden können. Einige Beispiele für einen geeigneten Werkstoff auf Aluminiumbasis sind Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung und eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Eine Beschichtung aus einem Material auf Aluminiumbasis kann durch Tauchbeschichtung aufgebracht werden, typischerweise bis zu einer Dicke von 2 µm bis 30 µm, wobei andere Beschichtungsverfahren und Dicken der erreichten Beschichtung(en) verwendet werden können.
Das darunterliegende Metallwerkstück 14 definiert mindestens ein eindringendes hohles Merkmal 36, das vom oberen Metallwerkstück 12 und insbesondere von der Passfläche 22 des oberen Metallwerkstücks 12 innerhalb des überlappenden Schweißbereichs 16 abgedeckt ist. Das eindringende hohle Merkmal 36 wird durch eine Innenfläche 38 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 definiert. In einer Implementierung, wie in den 1-4 dargestellt, ist das eindringende hohle Merkmal 36 ein Durchgangsloch 40, das die Dicke 141 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 vollständig durchläuft; das heißt, das Durchgangsloch 40 erstreckt sich zwischen und ist an jeder seiner zugänglichen Außen- und Passflächen 24, 26 offen. Die Größe der Durchgangsbohrung 40 unterliegt Schwankungen, die auf einer Reihe von Faktoren beruhen, einschließlich der Dicken 121, 141 der oberen und der darunterliegenden Metallwerkstücke 12, 14 und ob nur eine einzelne Durchgangsbohrung 40 vorhanden ist oder nicht oder andere eindringende hohle Merkmale 36 der gleichen oder unterschiedlichen Größe und Form vorhanden sind und gruppiert werden. Wenn beispielsweise nur eine einzelne Durchgangsbohrung 40 vorhanden ist, wie hier in den 1-4 dargestellt, kann ein durchschnittlicher Durchmesser 401 der Durchgangsbohrung 40 im Bereich zwischen 2,0 mm bis 15,0 mm oder, genauer gesagt, zwischen 5,0 mm bis 10,0 mm liegen. Wenn andererseits mehrere Durchgangsbohrungen 40 vorhanden und gruppiert sind, kann der mittlere Durchmesser 401 jeder der Durchgangsbohrungen 40 zwischen 0,5 mm und 5,0 mm oder, genauer gesagt, zwischen 1,0 mm und 3,0 mm liegen. Wenn mehrere Durchgangsbohrungen 40 vorhanden sind, werden vorzugsweise drei bis fünfzehn Durchgangsbohrungen 40 gruppiert und sind in einem Oberflächenbereich 42 (1) enthalten, der sich zwischen 15 mm² und 400 mm² auf der Passfläche 26 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 erstreckt.
Rückblickend auf 1 beinhaltet die Remote-Laserschweißvorrichtung 18 einen abtastenden optischen Laserkopf 44. Im Allgemeinen und unter Bezugnahme zunächst auf die Werkstückstapelanordnung 10 richtet der abtastende optische Laserkopf 44 die Übertragung des Laserstrahls 28 auf die zugängliche Außenfläche 20 des oberen metallischen Werkstücks 12. Der gerichtete Laserstrahl 28 weist einen Strahlpunkt 281 auf, der, wie am besten in 3 dargestellt, die Querschnittsfläche des Laserstrahls 28 in einer Ebene ist, die entlang der zugänglichen Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 ausgerichtet ist. Der abtastende optische Laserkopf 44 wird vorzugsweise an einem Roboterarm 46 (teilweise dargestellt) montiert, der den Laserkopf 44 schnell und präzise im dreidimensionalen Raum über der zugänglichen Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 nach programmierten Anweisungen tragen kann. Der Laserstrahl 28 in Verbindung mit dem abtastenden optischen Laserkopf 44 ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich (üblicherweise 700 nm bis 1400 nm) des elektromagnetischen Spektrums arbeitet. Zudem weist der Laserstrahl 28 ein Leistungsvermögen auf, das eine Leistungsdichte erreicht, die ausreicht, um während der Durchführung des Fügeverfahrens ein Schlüsselloch, falls gewünscht, innerhalb des oberen Metallwerkstücks 12 zu erzeugen. Die Leistungsdichte, die zum Erzeugen eines Schlüssellochs innerhalb des oberen Metallwerkstücks 12 erforderlich ist, kann je nach Zusammensetzung des Basismetallsubstrats 32 zwischen 0,5 MW/cm² und 1,5 MW/cm² liegen.
Einige Beispiele für einen geeigneten Festkörperlaserstrahl, der in Verbindung mit der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 verwendet werden kann, sind ein Faserlaserstrahl, ein Scheibenlaserstrahl und ein direkter Diodenlaserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei welchem das Lasergewinnungsmedium eine mit einem Seltenerdelement dotierte optische Faser ist (z. B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, usw.). Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei welchem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Seltenerdelement (z. B. einem Ytterbium-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (Yb:YAG) Kristall mit einer reflektierenden Oberfläche) dotiert und auf einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter direkter Diodenlaserstrahl ist ein kombinierter Laserstrahl (z. B. Wellenlänge kombiniert), der von mehreren Dioden abgeleitet wird, bei denen das Verstärkungsmedium mehrere Halbleiter wie Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAS) oder Indium-Galliumarsenid (InGaAS) sind. Lasergeneratoren, die jeden dieser Lasertypen sowie andere Varianten erzeugen können, sind im Handel erhältlich. Andere Festkörperlaserstrahlen, die hier nicht ausdrücklich erwähnt werden, können selbstverständlich verwendet werden.
Der abtastende optische Laserkopf 44 beinhaltet eine Anordnung von Spiegeln 48, die den Laserstrahl 28 manövrieren und so den Strahlpunkt 281 entlang der zugänglichen Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 innerhalb eines Arbeitsumfangs transportieren können, der den Schweißbereich 16 zumindest teilweise überlappt. Hier wird, wie in 1 veranschaulicht, die Position des Strahlpunkts 281 auf der zugänglichen Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 innerhalb des Arbeitsbereichs durch die Koordinaten „x“ und „y“ eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert. Neben der Anordnung der Spiegel 48 beinhaltet der abtastende optische Laserkopf 44 auch eine z-Achsen-Fokuslinse 50, die einen Brennpunkt oder einen Bund 52 (3) des Laserstrahls 28 entlang einer Längsachse 54 des Laserstrahls 28 verschieben kann, um so die Lage des Brennpunktes 52 in einer z-Richtung des gleichen dreidimensionalen Koordinatensystems zu verändern. Des Weiteren kann ein Abdeckschieber 56 unterhalb des abtastenden optischen Laserkopfes 44 angebracht werden, um eine Beeinträchtigung der optischen Systemkomponenten und der Integrität des Laserstrahls 28 zu verhindern. Der Abdeckschieber 56 schützt die Anordnung der Spiegel 46 und der z-Achsen-Fokuslinse 50 vor der Umgebung, lässt jedoch den Laserstrahl 28 ohne wesentliche Unterbrechung aus dem abtastenden optischen Laserkopf 44 austreten.
Die Anordnung der Spiegel 48 und der z-Achsen-Fokuslinse 50 wirken während des Betriebs der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 28 und seines Strahlpunkts 281 innerhalb des Arbeitsbereichs sowie die Position des Brennpunktes 52 entlang der Längsachse 54 des Strahls 28 zu bestimmen, wenn eine derartige Bewegung tatsächlich erforderlich ist. Insbesondere beinhaltet die Anordnung der Spiegel 48 ein Paar kippbare Abtastspiegel 58. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 58 ist auf einem Galvanometer 60 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 58 können die Position des Strahlpunkts 281 verschieben und so den Punkt, an dem der Laserstrahl 28 die zugängliche Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12, relativ zu einer x-y-Ebene des Arbeitsumfangs schneidet, durch präzise koordinierte Kippbewegungen der Galvanometer 60 verändern. Gleichzeitig steuert die z-Achsen-Fokuslinse 50 die Lage des Brennpunktes 52 des Laserstrahls 28, um den Laserstrahl 28 mit der richtigen Leistungsdichte zu verabreichen. Alle diese optischen Komponenten 50, 58 können in wenigen Millisekunden oder weniger schnell indexiert werden, um den Strahlpunkt 281 des Laserstrahls 28 in Bezug auf die zugängliche Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 entlang eines Strahlverlaufmusters mit einfacher oder komplexer Geometrie, das auf die zugängliche Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 projiziert wird, zu bewegen, während die Position des Brennpunkts 52 gesteuert wird.
Eine Eigenschaft, die das Remote-Laserschweißen von anderen konventionellen Formen des Laserschweißens unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 28. Wie in 1 dargestellt, weist der Laserstrahl 28 eine Brennweite 62 auf, die als Abstand zwischen dem Brennpunkt 52 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 58 gemessen wird, der den Laserstrahl 28 abfängt und reflektiert, bevor der Laserstrahl 28 den abtastenden optischen Laserkopf 44 verlässt. Die Brennweite 62 des Laserstrahls 28 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,4 m bis 2,0 m, wobei der Durchmesser des Brennpunktes 52 typischerweise zwischen 100 µm und 700 µm liegt. Die Brennweite 62 kann durch Ändern der Position der z-Achsen-Fokuslinse 52 einfach eingestellt werden. Im Vergleich dazu liegt die Brennweite des Laserstrahls beim herkömmlichen Laserschweißen, bei welchem ein divergierender Laserstrahl kollimiert und dann durch eine Linse oder einen Spiegel(n) auf eine Werkstückstapelanordnung fokussiert wird, im Allgemeinen zwischen 100 mm und 400 mm oder, genauer gesagt, zwischen 200 mm und 300 mm, wobei der Durchmesser des Brennpunkts typischerweise zwischen 0,5 mm und 4,0 mm liegt.
Unter Bezugnahme auf die 1-4 können das obere Metallwerkstück 12 und das darunterliegende Metallwerkstück 14 durch Verwendung des Laserstrahls 28 als konzentrierte Wärmequelle zusammengefügt werden, um einen Abschnitt des oberen Metallwerkstücks 12 zu schmelzen und aus dem oberen Metallwerkstück 12 (4) geschmolzenes Metallmaterial 64 zu erzeugen, das in das mindestens eine innerhalb des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 definierte, eindringende hohle Merkmal 36 einströmt und letztendlich verfestigt. Insbesondere beinhaltet das Fügeverfahren zunächst das Bereitstellen der Werkstückstapelanordnung 10. Sobald die Stapelanordnung 10 bereitgestellt ist, wird das obere Metallwerkstück 12 mit einem Schweißlaserstrahl 28' geschmolzen, der von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 übertragen und auf die zugängliche Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 gerichtet wird. Das geschmolzene Metallmaterial 64, das durch das Schmelzen des oberen Metallwerkstücks 12 erzeugt wird und in das mindestens eine durch das darunterliegende Metallwerkstück 14 definierte eindringende hohle Merkmal 36 einströmt, verfestigt sich dann in einer Schweißverbindung 66, die das obere und das darunterliegende Metallwerkstück 12, 14 metallurgisch miteinander verbindet. Der hierin verwendete Begriff „Schweißlaserstrahl“ bezieht sich speziell auf den Laserstrahl 28, der von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 ausgeht, wenn dieser Laserstrahl 28 verwendet wird, um einen Abschnitt des oberen Metallwerkstücks 12 zu schmelzen, um das geschmolzene Metallmaterial 64 zu erzeugen, welches das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 infiltriert.
Die Werkstückstapelanordnung 10 kann bereitgestellt werden, indem zunächst das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 (in dieser speziellen Ausführungsform als Durchgangsbohrungen 40 dargestellt) in dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 gebildet und dann das darunterliegende Metallwerkstück 14 und das obere Metallwerkstück 12 in die Stapelanordnung 10 eingesetzt werden. Die mindestens eine Durchgangsbohrung 40 kann auf verschiedene Weise gebildet werden. In einem Ansatz kann beispielsweise ein von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 übertragener Formlaserstrahl 28" auf das darunterliegende Metallwerkstück 14 gerichtet werden, wie in 2 dargestellt, um jede der Durchgangsbohrungen 40 zu erzeugen, bevor das darunterliegende Metallwerkstück 14 in die Werkstückstapelanordnung 10 eingesetzt wird. Insbesondere wird an jeder Stelle, an der eine Durchgangsbohrung 40 erwünscht ist, der Formlaserstrahl 28" auf die zugängliche Außenfläche 24 oder die Passfläche 26 gerichtet und trifft auf diese, um durch das Metallwerkstück 14 zu schmelzen und das resultierende Material so auszutreiben, dass die Durchgangsbohrung 40 im darunterliegenden Metallwerkstück 14 definiert ist. Die Leistungsdichte, die Strahlübertragungszeit und/oder die Bewegung des Strahlpunkts des Formlaserstrahls 28" können leicht an die Form der Durchgangsbohrung(en) 40 angepasst werden. Der hierin verwendete Begriff „Formlaserstrahl“ bezieht sich speziell auf den Laserstrahl 28, der von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 ausgeht, wenn der Laserstrahl 28 verwendet wird, um das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 in dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 zu bilden.
Die Begriffe „Schweißlaserstrahl“ und „Formlaserstrahl“ werden daher verwendet, um die Verwendung des von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 übertragenen Laserstrahls 28 innerhalb des Fügeverfahrens zu unterscheiden. Zu diesem Zweck ist die Bezeichnung der Laserstrahlen als „Schweißlaserstrahl“ und „Formlaserstrahl“ zusammen mit ihren zugehörigen Bezugsziffernbezeichnungen 28', 28" nicht notwendigerweise dazu bestimmt, einen Unterschied in der Art des Laserstrahls anzugeben - auch wenn diese Unterscheidungen in anderen alternativen Ausführungsformen, in denen der Schweißlaserstrahl und der Formlaserstrahl von verschiedenen Remote-Laserschweißvorrichtungen übertragen werden, nicht ausgeschlossen sind -, sondern soll vielmehr zwischen der Verwendung des Laserstrahls 28 zu unterschiedlichen Zeiten des gesamten Fügeverfahrens sowie zwischen seinen Funktionen unterscheiden (d. h. Bilden des mindestens einen eindringenden hohlen Merkmals vs. Schmelzen des oberen Metallwerkstücks während der Herstellung der Schweißverbindung) innerhalb des gesamten Fügeverfahrens. Der durch die Referenznummer 28 identifizierte Laserstrahl verdeutlicht somit, wie jeder der Schweißlaserstrahlen 28' und der Formlaserstrahl 28" von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 geliefert und möglicherweise manövriert wird.
Die Durchgangsbohrung(en) 40 können durch andere Techniken als die Verwendung des Formlaserstrahls 28" gebildet werden. So kann beispielsweise in einem anderen geeigneten Ansatz jede der Durchgangsbohrungen 40 innerhalb des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 durch mechanische Techniken, wie beispielsweise Bohren oder Schrauben, gebildet werden. Insbesondere kann an jeder Stelle, an der eine Durchgangsbohrung 40 gewünscht wird, ein rotierender Bohrer oder eine rotierende Schraube durch das darunterliegende Metallwerkstück 14 von der zugänglichen Außenfläche 24 auf die Passfläche 26 oder umgekehrt getrieben werden, um ein Material so zu entfernen, dass die Durchgangsbohrung 40 in dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 definiert ist. In noch weiteren Ansätzen kann/können die Durchgangsbohrung(en) 40 durch Durchstoßen des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 mit einem Stanzwerkzeug oder durch Scheren des darunter liegenden Metallwerkstücks 14 mit einem Schneidwerkzeug gebildet werden. Andere, hier nicht ausdrücklich erläuterte, jedoch in der Branche bekannte Ansätze der Metallbearbeitung können auch verwendet werden, um die Durchgangsbohrungen 40 innerhalb des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 zu bilden.
Nachdem das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 in dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 gebildet ist, werden das obere Metallwerkstück 12 und das darunterliegende Metallwerkstück 14 zusammengeführt und in die Werkstückstapelanordnung 10 eingesetzt, wie in 3 dargestellt. Geeignete Vorrichtungen oder andere Positionierungsvorrichtungen für Metallwerkstücke können verwendet werden, um die Metallwerkstücke 12, 14 im zusammengesetzten Zustand als Vorbereitung auf das Fügen zusammenzuhalten. Das obere Metallwerkstück 12 und das darunterliegende Metallwerkstück 14 überlappen sich beim Einsetzen in die Stapelanordnung 10, um den überlappenden Schweißbereich 16 zu definieren, wobei das obere Metallwerkstück 12 das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 abdeckt, das wie zuvor beschrieben in dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 definiert ist. Die Werkstückstapelanordnung 10 ist nun bereit zum Fügen durch Betätigen der Remote-Laserschweißvorrichtung 18, wobei der Laserstrahl 28 als Schweißlaserstrahl 28' dient. Zu diesem Zweck kann die Werkstückstapelanordnung 10 zu einer der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zugeordneten Arbeitsstation transportiert und in Bezug auf die Remote-Laserschweißvorrichtung 18 korrekt ausgerichtet werden, sodass das obere Metallwerkstück 12 und das darunterliegende Metallwerkstück 14 entsprechend positioniert sind.
Wie in den 1 und 4 am besten abgebildet, werden anschließend das obere Metallwerkstück 12 und das darunterliegende Metallwerkstück 14 mithilfe des Schweißlaserstrahls 28', der die zum Durchführen des Fügeverfahrens erforderliche konzentrierte Wärmequelle liefert, zusammengefügt. Der Schweißlaserstrahl 28' wird auf die zugängliche Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 gerichtet und trifft auf diese, wobei je nach Größe und möglicher Gruppierung der eindringenden Merkmale der Strahlpunkt 281' des Schweißlaserstrahls 28' entweder an der zugänglichen Außenfläche 20 trainiert oder entlang eines vorgegebenen Strahlverlaufsmusters in Bezug auf die zugängliche Außenfläche 20 vorgeschoben wird. Die Energie des Schweißlaserstrahls 28' wird vom oberen Metallwerkstück 12 absorbiert, um schnell Wärme im Werkstück 12 zu erzeugen und einen Teil des oberen Metallwerkstücks 12 über dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal 36 zu schmelzen, das in dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 definiert ist. Die resultierende Metallschmelze 64 aus dem oberen Metallwerkstück 12 fließt in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 und benetzt die Innenfläche 38 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14, welches das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 definiert. In einigen Fällen, insbesondere wenn das obere Metallwerkstück 12 und das untere Metallwerkstück 14 Aluminium- bzw. Stahlwerkstücke sind, kann sich entlang der Innenfläche 38 des unteren Metallwerkstücks 14 eine intermetallische Schicht 68 bilden, wobei Metall aus dem unteren Metallwerkstück 14 (z. B. Eisen) in die Metallschmelze 64 (z. B. geschmolzenes Aluminium) diffundiert.
Die Metallschmelze 64 aus dem oberen Metallwerkstück 12, das in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 fließt, kann sich schließlich innerhalb des mindestens einen eindringenden hohlen Merkmals 36 verfestigen, um die Schweißverbindung 66 herzustellen, die das obere und das untere Metallwerkstück 12, 14 metallurgisch miteinander verbindet. Die Schweißverbindung 66 ist im Wesentlichen ein Bolzen 70 mit einer Außenfläche 72, der mit der Innenfläche 38 des mindestens einen eindringenden hohlen Merkmals 38, das in dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 definiert ist, gelötet ist. Neben der zwischen dem Bolzen 70 und der Innenfläche 38 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 hergestellten Lötverbindung, der eingepassten Aufnahme des Bolzens 70 innerhalb des mindestens einen eindringenden hohlen Merkmals 36 und der inhärenten Einschränkung gegen eine Relativbewegung zwischen dem Bolzen 70 und dem darunterliegenden Metallwerkstück 14 aufgrund der Lötverbindung zwischen ihnen ergibt sich für die Schweißverbindung 66 eine mechanische Verriegelungskomponente, die zusammen mit der Lötverbindung eine gute Verbindungsfestigkeit fördert. Die Metallschmelze 64 kann abkühlen und sich durch Unterbrechen der Übertragung des Schweißlaserstrahls 28' oder durch Verschieben des Strahlpunkts 281' des Schweißlaserstrahls 28' von der Metallschmelze 64 weg in einen anderen thermisch isolierten Abschnitt des oberen Metallwerkstücks 12 in den Bolzen 70 verfestigen.
Da die Metallschmelze 64 des oberen Metallwerkstücks 12 in das mindestens eine im unteren Metallwerkstück 14 definierte eindringende hohle Merkmal 36 fließt, kann eine Situation entstehen, in der das obere Metallwerkstück 12 in dem Bereich, in dem die Schweißverbindung 66 ausgebildet ist, eine zu starke Ausdünnung erfährt. Unter diesen Umständen kann, wie in 4 dargestellt, optional ein Fülldraht 74 verwendet werden, um geschmolzenes Füllmaterial 76 in die Metallschmelze 64 des oberen Metallwerkstücks 12 einzubringen, um die Dicke 121 des oberen Metallwerkstücks 12 zumindest teilweise zu erhalten. Während der Verwendung kann der Fülldraht 74 in Bezug auf den Schweißlaserstrahl 28' positioniert werden, sodass der Fülldraht 74 vom Schweißlaserstrahl 28' beaufschlagt und geschmolzen wird, um so das geschmolzene Füllmaterial 76 herzustellen. Der Fülldraht 74 kann bei Bedarf nach vorne in den Strahlengang des Schweißlaserstrahls 28' eingeführt werden, um eine Menge des geschmolzenen Füllmaterials 76 zu erzeugen, das mit der Metallschmelze 64 des oberen Metallwerkstücks 12 vermischt ist und die Menge der Metallschmelze 64, welches das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 infiltriert, zumindest teilweise ausgleicht. Der Fülldraht 74 kann aus einer Legierung bestehen, deren Hauptlegierungsbestandteil gleich dem Hauptbestandteil des Basismetallsubstrats 32 des oberen Metallwerkstücks 12 ist. Wenn beispielsweise das obere Metallwerkstück 12 ein Aluminiumwerkstück ist, besteht der Fülldraht 74 vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, wie beispielsweise einer Al-Si-Mg-Legierung. Der Fülldraht 74 kann mit dem Schweißlaserstrahl 28' mit oder ohne Schutzgas beaufschlagt und geschmolzen werden.
Wie bereits erwähnt, ist das Fügeverfahren besonders nützlich, wenn das obere Metallwerkstück 12 ein Aluminiumwerkstück und das darunterliegende Metallwerkstück 14 ein Stahlwerkstück ist. In diesem Szenario wird der Schweißlaserstrahl 28' auf die zugängliche Außenfläche 20 des Aluminiumwerkstücks gerichtet und trifft auf diese, wobei er einen Teil des Aluminiumwerkstücks schmilzt, um Aluminiumschmelze herzustellen. Die Aluminiumschmelze fließt in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36, das in dem darunterliegenden Stahlwerkstück definiert ist, und benetzt die Innenfläche 38 des Stahlwerkstücks, welches das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 definiert. Nach dem Verfestigen der Aluminiumschmelze innerhalb des mindestens einen Eindringungsmerkmals 36 wird die Schweißverbindung 66 hergestellt, wobei die Außenfläche 72 des Bolzens 70 mit der Innenfläche 38 des Stahlwerkstücks, die das mindestens eine Eindringungsmerkmal 36 definiert, verlötet wird. Aufgrund der Diffusion von Eisen in die Aluminiumschmelze, die das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 infiltriert, ist die intermetallische Schicht 68 typischerweise vorhanden und beinhaltet Fe-Al intermetallische Verbindungen, wie beispielsweise FeAl₃-Verbindungen, Fe₂Al₅-Verbindungen und möglicherweise andere intermetallische Fe-Al-Verbindungen.
Das vorstehend beschriebene Fügeverfahren in Verbindung mit den 1-4 unterliegt selbstverständlich einer Vielzahl von Variationen. Wie beispielsweise in den 5-6 dargestellt, kann das eindringende hohle Merkmal 36 eine Durchgangsbohrung 140 sein und die Innenfläche 138 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14, das die Durchgangsbohrung 140 definiert, kann gezahnt sein. Die gezahnte Innenfläche 138 kann eine oder mehrere Kerben 178 beinhalten, die axial beabstandet sind und sich zumindest teilweise entlang eines Umfangs der Innenfläche 138 erstrecken. Wenn das obere Metallwerkstück 12 geschmolzen wird und die Metallschmelze 64 des oberen Metallwerkstücks in die Durchgangsbohrung 140 fließt, wie in 6 dargestellt, füllt die Metallschmelze 64 die Kerben 178 der gezahnten Innenfläche 138 und verfestigt sich darin am Ende. Dadurch beinhaltet der Bolzen 170 der Schweißverbindung 166 radiale Rippen 180, die das mechanische Verriegelungselement der Schweißverbindung 166 verstärken und insbesondere dazu dienen, die Verbindung 166 bei unterschiedlichen Belastungen, wie Scher-, Zug-, Schäl- und Querzugbelastung, zu verstärken. Ein gezackte Innenfläche 138 kann von Nutzen sein, wenn zu befürchten ist, dass die eventuell entstehende intermetallische Schicht 68 (4) zu hart und spröde ist. Es stehen mehrere verschiedene Techniken zum Bilden der gezackten Innenfläche 138 zur Verfügung, einschließlich der Verwendung einer rotierenden Schraube zum Bilden der Durchgangsbohrung(en) 140 innerhalb des darunterliegenden Metallwerkstücks 14.
Als weiteres Beispiel, und unter Bezugnahme auf die 7-8, kann das eindringende hohle Merkmal 36 ein Hohlraum 280 sein, der zur angrenzenden Passfläche 22 des oberen Metallwerkstücks 12 offen ist, wenn die oberen und unteren Metallwerkstücke 12, 14 in die Werkstückstapelanordnung 10 eingesetzt werden. Der Hohlraum 280 durchläuft nur teilweise die Dicke 141 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 und wirkt somit wie ein Becken, das die Metallschmelze 64 vom oberen Metallwerkstück 12 enthält, um zu gewährleisten, dass die Metallschmelze 64 nicht durch das darunterliegende Metallwerkstück 14 fließt. Der Hohlraum 280 kann an der Passfläche 26 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 einen Durchmesser 2801 aufweisen, der dem der vorstehend beschriebenen Durchgangsbohrung 40 in Verbindung mit den 2-4 ähnlich ist, bei gleichzeitiger Verjüngung in das darunterliegende Metallwerkstück weg von der Passfläche 26 und dem darüberliegenden oberen Metallwerkstück 12, wie dargestellt. Zusätzlich kann, wie dargestellt, eine den Hohlraum 280 definierende Innenfläche 282 so gezahnt sein, dass die Innenfläche 282 eine oder mehrere Kerben 284 beinhaltet, die axial beabstandet sind und sich zumindest teilweise entlang eines Umfangs der Innenfläche 282 erstrecken. Die Innenfläche 282 kann aus den gleichen Gründen und zum Erreichen der gleichen Ziele wie zuvor erläutert gezahnt sein; das heißt, wenn die Metallschmelze 64 des oberen Metallwerkstücks in den Hohlraum 280 fließt, wie in 8 dargestellt, füllt die Metallschmelze 64 die Kerben 284 der gezahnten Innenfläche 282 und verfestigt sich letztendlich darin, sodass der Bolzen 270 der Schweißverbindung 266 radiale Rippen 286 beinhaltet, welche die mechanische Verrieglungskomponente der Verbindung 266 verstärken.
Darüber hinaus kann, wie in den 9-11 veranschaulicht, das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 36 (z. B. die Durchgangsbohrung(en) 40, die Durchgangsbohrung(en) 140, der oder die Hohlräume 280 usw.) eine Vielzahl von eindringenden hohlen Merkmalen 36 beinhalten, die zusammen gruppiert und innerhalb der Oberfläche 42 enthalten sind (siehe auch 1), welche die Passfläche 26 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 überspannt. Die Vielzahl der eindringenden hohlen Merkmale 36 kann drei bis fünfzehn eindringende hohle Merkmale 34 der gleichen oder einer unterschiedlichen Art beinhalten. Darüber hinaus kann, wie in jeder der 9-11 dargestellt, die Vielzahl der eindringenden hohlen Merkmale 36 auf einem oder mehreren Schweißbahnen 388 eines Strahlverlaufmusters 390 angeordnet werden, das vom Schweißlaserstrahl 28' entlang der zugänglichen Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks 12 beim Schmelzen des oberen Metallwerkstücks 12 verfolgt wird. Die Schweißbahn(en) 388 kann/können eine kreisförmige Schweißbahn (wie dargestellt) oder eine andere Art von Schweißbahn sein, einschließlich einer linearen Schweißnaht, einer C-förmigen Klammerschweißbahn, einer Spiralschweißbahn oder einer beliebigen anderen Form der Schweißbahn. Durch Anordnen der Vielzahl von eindringenden hohlen Merkmalen 36 auf einem oder mehreren Schweißbahnen 388 kann die Ausdünnung des oberen Metallwerkstücks 12 über den Oberflächenbereich 42 der Passfläche 26 des darunterliegenden Metallwerkstücks 14, der die eindringenden hohlen Merkmale 36 enthält, gemildert werden, wodurch die Notwendigkeit der Verwendung eines Fülldrahtes vermieden werden kann, der andernfalls erforderlich sein könnte, wenn nur ein einzelnes eindringendes hohles Merkmal implementiert würde.
Die Werkstückstapelanordnung 10 kann neben den oberen und darunterliegenden Metallwerkstücken 12, 14 auch ein weiteres zusätzliches Metallwerkstück beinhalten, wie in den 12-13 dargestellt. Unter Bezugnahme zunächst auf 12 beinhaltet eine alternative Ausführungsform der Werkstückstapelanordnung 10 ein oberes Metallwerkstück 412, ein erstes unteres Metallwerkstück 414 und ein zweites unteres Metallwerkstück 492. Beim Einsetzen in die Werkstückstapelanordnung 10 überlagert das obere Metallwerkstück 412 das erste darunterliegende Metallwerkstück 414 und beinhaltet die zugängliche Außenfläche 420, die durch den Schweißlaserstrahl 28' beaufschlagt wird. Das erste darunterliegende Metallwerkstück 414 wiederum überlagert das zweite darunterliegende Metallwerkstück 492. In diesem Zusammenhang überlappen sich alle drei Metallwerkstücke 412, 414, 492, um den überlappenden Schweißbereich 16 (1) mit einer ersten Passfläche 426 des ersten darunterliegenden Metallwerkstücks 414 zu definieren, die einer Passfläche 422 des oberen Metallwerkstücks 412 gegenüberliegt, um eine erste Passfläche 430 und eine zweite Passfläche 494 des ersten darunterliegenden Metallwerkstücks 414 zu bilden, die einer Passfläche 496 des zweiten darunterliegenden Metallwerkstücks 492 gegenüberliegt, um eine zweite Passfläche 498 zu bilden. Die ersten und zweiten Passschnittstellen 430, 498 umfassen die gleiche Breite von überlappenden Beziehungen zwischen den gegenüberliegenden Passflächen 422, 426, 494, 496 wie zuvor beschrieben.
Die bereitgestellten Beschreibungen des oberen Metallwerkstücks 12 und des darunterliegenden Metallwerkstücks 14 gelten gleichermaßen für das obere Metallwerkstück 412 bzw. das erste darunterliegende Metallwerkstück 414, die in Verbindung mit den 12-13 dargestellt sind und somit hier uneingeschränkt anwendbar sind, sofern nicht anders angegeben. Das zweite darunterliegende Metallwerkstück 492 kann identisch mit dem oberen Metallwerkstück 412 oder identisch mit dem ersten darunterliegenden Metallwerkstück 414 sein, wobei in diesem Fall die vorstehenden Beschreibungen der oberen oder darunterliegenden Metallwerkstücke 12, 14 gelten, oder sie können eine andere Zusammensetzung aufweisen. In der Ausführungsform, in der das obere Metallwerkstück 412 ein Aluminiumwerkstück und das erste darunterliegende Metallwerkstück 414 beispielsweise ein Stahlwerkstück ist, kann das zweite darunterliegende Metallwerkstück 492 ein Aluminiumwerkstück sein, wobei es sich natürlich auch um eine andere Art von Metallwerkstück wie beispielsweise ein Stahlwerkstück handeln könnte. Um eine Schweißverbindung 466 zu bilden, welche die oberen, ersten darunterliegenden und zweiten darunterliegenden Metallwerkstücke 412, 414, 492 metallurgisch befestigt, beinhaltet jedes der ersten darunterliegenden Metallwerkstücke 414 und das zweite darunterliegende Metallwerkstück 492 mindestens ein eindringendes hohles Merkmal 436', 436", welches die Metallschmelze 64 vom oberen Metallwerkstück 412 aufnehmen kann, wenn ein Abschnitt des oberen Metallwerkstücks 412 oberhalb der eindringenden hohlen Merkmale 436', 436" geschmolzen wird.
Das mindestens eine eindringende hohle Merkmal 436', das im ersten darunterliegenden Metallwerkstück 414 definiert ist, ist eine Durchgangsbohrung 440, die durch eine Innenfläche 438 des ersten darunterliegenden Metallwerkstücks 414 definiert ist, ähnlich wie in den 2-4 dargestellt. Das im ersten darunterliegenden Metallwerkstück 414 definierte Durchgangsloch 440 verbindet sich mit dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal 436", das im zweiten darunterliegenden Metallwerkstück 492 definiert ist, um eine Leitung bereitzustellen, durch welche die Metallschmelze 64 vom oberen Metallwerkstück 412 fließen und das eindringende hohle Merkmal 436" erreichen kann, das im zweiten darunterliegenden Metallwerkstück 492 definiert ist. Was das im zweiten darunterliegenden Metallwerkstück 492 definierte eindringende hohle Merkmal 436" betrifft, so kann es sich um eine Durchgangsbohrung oder einen Hohlraum handeln, der zur angrenzenden Passfläche 494 des ersten darunterliegenden Metallwerkstücks 414, wie oben beschrieben, offen ist. Jede von einer Innenfläche 438, welche die Durchgangsbohrung 440 definiert, die in dem ersten darunterliegenden Metallwerkstück 414 definiert ist, und einer Innenfläche 500, welche die Durchgangsbohrung oder den Hohlraum in dem zweiten darunterliegenden Metallwerkstück 492 definiert, kann aus den vorstehend erläuterten Gründen bezüglich der Verbesserung der mechanischen Verriegelung in der endgebildeten Schweißverbindung 466 gezahnt sein oder nicht. Eine Vielzahl der eindringenden hohlen Merkmale 436', 436" in den ersten und zweiten darunterliegenden Metallwerkstücken 414, 492 kann bei Bedarf auch eingesetzt werden, wie in 9-11 dargestellt.
Das Fügen der oberen, ersten darunterliegenden und zweiten darunterliegenden Metallwerkstücke 412, 414, 492 erfolgt im Allgemeinen auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben. Nachdem die Werkstücke 412, 414, 492 in die Werkstückstapelanordnung 10 eingesetzt wurden, wird der als konzentrierte Wärmequelle dienende Schweißlaserstrahl 28' auf die zugängliche Außenfläche 420 des oberen Metallwerkstücks 412 gerichtet und trifft auf diese, um einen Teil des oberen Metallwerkstücks 412 zu schmelzen, wie in 13 dargestellt. Die resultierende Metallschmelze 64 des oberen Werkstücks 412 fließt in und durch die im ersten darunterliegenden Metallwerkstück 414 definierte Durchgangsbohrung 440 und in das im zweiten darunterliegenden Metallwerkstück 492 definierte, eindringende hohle Merkmal 438" (Durchgangsbohrung oder Hohlraum). Die Metallschmelze 64 benetzt die Innenfläche 438 der im ersten darunterliegenden Metallwerkstück 414 definierten Durchgangsbohrung 440 und benetzt oder vermischt sich entweder mit der Innenfläche 500 des eindringenden hohlen Merkmals 438", das im zweiten darunterliegenden Metallwerkstück 492 definiert ist, abhängig von der Zusammensetzung des Basismetallsubstrats des zweiten darunterliegenden Metallwerkstücks 492). Die Metallschmelze kann auch Kerben füllen, die durch die Innenflächen 438, 500 definiert sind. Die Metallschmelze 64 verfestigt sich zu einer Schweißverbindung 466, gekennzeichnet durch einen Bolzen 470 mit einer Außenfläche 472, die an die Innenfläche 438 der Durchgangsbohrung 440 gelötet und gelötet oder verschmolzen (je nach Zusammensetzung des Basismetallsubstrats des zweiten darunterliegenden Metallwerkstücks 492) mit der Innenfläche 500 des Eindringungsmerkmals 438", definiert durch das zweite darunterliegende Metallwerkstück 414.
Weitere Variationen und Anpassungen der vorstehend beschriebenen Fügeverfahren im Zusammenhang mit den 1-13 sind durchaus möglich, obwohl sie im Text nicht ausdrücklich beschrieben und in den zugehörigen Zeichnungsfiguren dargestellt sind. So kann beispielsweise unter Bezugnahme auf die 1-4 das Schmelzen eines Abschnitts des oberen Metallwerkstücks 12 mit dem Schweißlaserstrahl 28', der vorzugsweise als konzentrierte Wärmequelle dient, durchgeführt werden, indem der Schweißlaserstrahl 28', wie beschrieben, auf die zugängliche Außenfläche 20 des oberen Metallwerkstücks gerichtet wird und auf die zugängliche Außenfläche 20 trifft, um Wärme direkt innerhalb des oberen Metallwerkstücks 12 zu erzeugen. In anderen Szenarien kann jedoch ein Metallwerkstück über dem oberen Metallwerkstück 12 so angeordnet werden, dass der Schweißlaserstrahl 28' zuerst auf das überlagerte Metallwerkstück trifft und entweder durch das überlagerte Metallwerkstück in das obere Metallwerkstück 12 schmilzt oder im überlagerten Metallwerkstück ausreichend Wärme erzeugt, um das Schmelzen im oberen Metallwerkstück 12 zu bewirken und dadurch die Metallschmelze 64 zu erzeugen, die das mindestens eine im darunterliegenden Metallwerkstück 14 definierte eindringende hohle Merkmal 36 infiltriert. In denjenigen Situationen, in denen ein Metallwerkstück das obere Metallwerkstück 12 überlagert, weist das zusätzlich überlagerte Metallwerkstück vorzugsweise die gleiche Basismetallzusammensetzung auf wie das obere Metallwerkstück 12; das heißt, wenn das obere Metallwerkstück 12 ein Aluminiummetallwerkstück ist, kann das zusätzlich überlagerte Metallwerkstück auch ein Aluminiumwerkstück des gleichen allgemeinen Typs sein, das vorstehend in Verbindung mit dem oberen Metallwerkstück 12 beschrieben wurde.
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und spezielle Beispiele besitzen lediglich einen beschreibenden Charakter; sie sollen nicht den Umfang der folgenden Patentansprüche 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 [0021]

Claims

Verfahren zum Schweißen einer Werkstückstapelanordnung, die ungleiche Metallwerkstücke beinhaltet, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Werkstückstapelanordnung, die ein oberes Metallwerkstück und ein darunterliegendes Metallwerkstück beinhaltet, das sich überlappt, um einen überlappenden Schweißbereich zu definieren, wobei das obere Metallwerkstück über dem darunterliegenden Metallwerkstück liegt und mindestens ein in das darunterliegende Metallwerkstück definiertes, eindringendes hohles Merkmal bedeckt, wobei das obere Metallwerkstück ein Basismetallsubstrat umfasst und das darunterliegende Metallwerkstück ein Basismetallsubstrat umfasst, wobei das Basismetallsubstrat des oberen Metallwerkstücks von dem Basismetallsubstrat des darunterliegenden Metallwerkstücks verschieden ist und einen Schmelzpunkt aufweist, der kleiner als ein Schmelzpunkt des Basismetallsubstrats des darunterliegenden Metallwerkstücks ist; Schmelzen eines Abschnitts des oberen Metallwerkstücks mit einer konzentrierten Wärmequelle, um Metallschmelze aus dem oberen Metallwerkstück zu erzeugen, die in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal fließt, das in dem darunterliegenden Werkstück definiert ist; und Ermöglichen des Verfestigens der Metallschmelze des oberen Metallwerkstücks in dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal, das in dem darunterliegenden Werkstück definiert ist, um eine Schweißverbindung herzustellen, die das obere Metallwerkstück und das darunterliegende Metallwerkstück metallurgisch miteinander befestigt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schmelzen des Abschnitts des oberen Metallwerkstücks mit der konzentrierten Wärmequelle Folgendes umfasst: Richten eines Laserstrahls auf eine zugängliche Außenfläche des oberen Metallwerkstücks; und Trainieren eines Strahlpunkts des Laserstrahls an der zugänglichen Außenfläche oder Vorschieben des Strahlpunkts in Bezug auf die zugängliche Außenfläche entlang eines Strahlverlaufmusters, um den Abschnitt des oberen Metallwerkstücks zu schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das eindringende hohle Merkmal ein Hohlraum ist, der zu einer angrenzenden Passfläche des oberen Metallwerkstücks offen ist und nur teilweise eine Dicke des darunterliegenden Metallwerkstücks durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Werkstückstapelanordnung ein erstes darunterliegendes Metallwerkstück und ein zweites darunterliegendes Metallwerkstück beinhaltet, wobei das obere Metallwerkstück über dem ersten darunterliegenden Metallwerkstück und das erste darunterliegende Metallwerkstück über dem zweiten darunterliegenden Metallwerkstück liegen, wobei das erste darunterliegende Metallwerkstück mindestens ein eindringendes hohles Merkmal definiert, das eine Dicke des ersten darunterliegenden Metallwerkstücks vollständig durchläuft und mit mindestens einem in dem zweiten darunterliegenden Metallwerkstück definierten Eindringungsmerkmal in Verbindung steht, und wobei die Metallschmelze des oberen Metallwerkstücks in und durch das mindestens eine in das erste darunterliegende Metallwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal und auch in das mindestens eine in das zweite darunterliegende Metallwerkstück definierte eindringende hohle Merkmal fließt.
Verfahren zum Schweißen einer Werkstückstapelanordnung, die ungleiche Metallwerkstücke beinhaltet, wobei das Verfahren umfasst: Bilden mindestens eines eindringenden hohlen Elements in einem Stahlwerkstück; Zusammensetzen eines Aluminiumwerkstücks und des Stahlwerkstücks zu einer Werkstückstapelanordnung, wobei das Aluminiumwerkstück das Stahlwerkstück überlappt und das mindestens eine eindringende hohle Merkmal, das in dem Stahlwerkstück definiert ist, abdeckt; Schmelzen eines Abschnitts des Aluminiumwerkstücks mit einem Laserstrahl, um eine Aluminiumschmelze zu erzeugen, die in das mindestens eine eindringende hohle Merkmal fließt, das in dem Stahlwerkstück definiert ist; und Ermöglichen des Verfestigens der Aluminiumschmelze in dem mindestens einen eindringenden hohlen Merkmal, das in dem Stahlwerkstück definiert ist, um eine Schweißverbindung herzustellen, die das Aluminiumwerkstück und das darunterliegende Stahlwerkstück miteinander verbindet.
Verfahren nach Anspruch 5, worin das eindringende hohle Merkmal eine Durchgangsbohrung ist, die eine Dicke des Stahlwerkstücks vollständig durchläuft, oder worin das eindringende hohle Merkmal ein Hohlraum ist, der zu einer benachbarten Passfläche des Aluminiumwerkstücks offen ist und nur teilweise eine Dicke des Stahlwerkstücks durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 5, worin eine Innenfläche des Stahlwerkstücks, die das eindringende hohle Merkmal definiert, gezahnt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, worin der Schritt des Schmelzens des Abschnitts des Aluminiumwerkstücks mit einem Laserstrahl Folgendes umfasst: Richten des Laserstrahls auf eine zugängliche Außenfläche des Aluminiumwerkstücks von einem abtastenden optischen Laserkopf einer Remote-Laserschweißvorrichtung, wobei der Laserstrahl eine Brennweite im Bereich von 0,4 Metern bis 2,0 Metern aufweist; und Trainieren eines Strahlpunkts des Laserstrahls an der zugänglichen Außenfläche oder Vorschieben des Strahlpunkts in Bezug auf die zugängliche Außenfläche entlang eines Strahlverlaufmusters, um den Abschnitt des Aluminiumwerkstücks zu schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Zusammensetzen des Aluminiumwerkstücks und des Stahlwerkstücks zu einem Werkstückstapel das Zusammensetzen des Aluminiumwerkstücks, des Stahlwerkstücks und eines zusätzlichen Aluminiumwerkstücks zu einem Werkstückstapel umfasst, worin das Aluminiumwerkstück das Stahlwerkstück überlappt und das mindestens eine in dem Stahlwerkstück definierte Eindringungsmerkmal bedeckt, das eine Dicke des Stahlwerkstücks vollständig durchläuft, und worin das Stahlwerkstück das zusätzliche Aluminiumwerkstück überlappt, sodass das mindestens eine in das Stahlwerkstück definierte Eindringungsmerkmal mit mindestens einem in das zusätzliche Aluminiumwerkstück definierten Eindringungsmerkmal verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend: Positionieren eines Fülldrahts in Bezug auf den Laserstrahl, sodass der Fülldraht durch den Laserstrahl beaufschlagt wird, um den Fülldraht zu schmelzen und geschmolzenes Füllmaterial in die Aluminiumschmelze einzubringen.