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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mehrfokalen Laserstrahlschweißen von mindestens zwei beschichteten Blechen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Beim Überlappungsschweißverfahren mittels Laserstrahl werden zu fügende Bleche im Überlappungsbereich verbunden, indem sie durch Energieeintrag aufgeschmolzen und anschließend abgekühlt werden. Dabei beeinflussen Korrosionsschutzbeschichtungen den Schweißprozess negativ, insbesondere wenn der Beschichtungswerkstoff eine deutlich geringere Schmelz- und Verdampfungstemperatur aufweist als der Blechwerkstoff beziehungsweise die Blechwerkstoffe und wenn die überlappenden Bleche ohne einen Fügespalt gefügt werden sollen. Im Überlappungsbereich führt die Verdampfung des Beschichtungswerkstoffs zu einer erheblichen Volumen- und Druckzunahme. Der sich ausdehnende Dampf strömt durch das Schmelzbad in der Fügeebene nach außen und verursacht dabei Spritzer, Poren und Nahtfehler, die einer stabilen und optisch ansprechenden Schweißnaht entgegenstehen.
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Um dieses Problem zu lösen, sind eine Vielzahl von Lösungsansätzen bekannt, die aber zumeist aufwendig und damit zeit- und/oder kostenintensiv sind. So ist es beispielsweise bekannt, im Fügebereich die Beschichtung zu entfernen. Dies bedeutet einen zusätzlichen Fertigungsschritt und gleichzeitig das Fehlen des Korrosionsschutzes im Fügebereich.
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Ein weiterer Ansatz besteht darin, einen Fügespalt zum Beispiel durch das Einfügen von Noppen auf mindestens einer Oberfläche der zu fügenden Bleche zu schaffen, durch den der verdampfte Beschichtungswerkstoff, üblicherweise Zink, kontrolliert entgasen kann. Auch bei diesem Ansatz ist also ein zusätzlicher Prozessschritt notwendig.
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Außerdem ist die Verwendung von Schutzgas, das zur Beruhigung des Schweißprozesses unter hohem Druck auf die Oberfläche des Schmelzbades geleitet wird, als Lösungsansatz bekannt. Dies ist durch die notwendige Anlagentechnik und den Gasverbrauch kostenintensiv.
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Ein weiterer Ansatz zielt auf die Verwendung von zusätzlichen Laserstrahlen im Fügebereich ab. Dabei wird ein oder werden zwei Laserstrahlen voreilend über die zu fügende Oberfläche geführt, um dort die Beschichtung anzuschmelzen und/oder abzutragen. Dabei erfolgt der Abtrag jedoch lokal sehr begrenzt. Wird dann der Hauptstrahl zum Fügen der Bauteile entlang des Fügebereichs geführt, können die weitreichenden Isothermen des Hauptstrahls dennoch den Beschichtungswerkstoff aufschmelzen und verdampfen, der dann in den Fügebereich eindringen und zu den genannten Fehlern führen kann.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Lösung vorzuschlagen, wie beschichtete Bleche gefügt werden können, ohne dass dabei geschmolzener oder verdampfter Beschichtungswerkstoff in den Fügebereich eindringt und zu Schweiß- beziehungsweise Nahtfehlern führt. Zudem sollte die Lösung wenig apparativen und zeitlichen Aufwand und möglichst keine oder nur geringe zusätzliche Kosten verursachen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum mehrfokalen Laserstrahlschweißen von mindestens zwei beschichteten Blechen in einem Überlappungsbereich weist mindestens eine Oberfläche der zu fügenden Bleche eine Beschichtung mit einer geringeren Schmelz- und Verdampfungstemperatur als die des Blechwerkstoffs auf und die Bleche liegen im Fügebereich plan oder formangepasst aneinander und bilden so einen technischen Nullspalt. Die Bleche werden mittels eines Hauptstrahls auf einer Vorschubachse und mindestens zweier Vorlaufstrahlen gefügt, wobei die mindestens zwei Vorlaufstrahlen dem Hauptstrahl in Vorschubrichtung lateral von der Vorschubachse beabstandet vorauseilen. Die mindestens zwei Vorlaufstrahlen bewirken jeweils einen ersten Stoffschluss der zu fügenden Bleche und bilden dabei eine Barriere für verdampften und/oder geschmolzenen Beschichtungswerkstoff. Der Hauptstrahl bewirkt entlang der Vorschubachse einen weiteren Stoffschluss der zu fügenden Bleche.
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Das Verfahren dient also dazu, zwei oder mehr Bleche miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Die Verbindung wird durch einen voreilenden Schweißgang und einen Hauptschweißgang bewirkt, wobei der voreilende Schweißgang mit mindestens zwei vorlaufenden beziehungsweise voreilenden Strahlen durchgeführt wird. Beansprucht ist dabei das Laserstrahlschweißen, aber auch andere geeignete Strahlschweißverfahren wie beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen oder das Plasmastrahlschweißen kommen für das erfindungsgemäße Verfahren in Betracht.
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Die zu fügenden Bleche sind üblicherweise Stahlbleche und sind aus Korrosionsschutzgründen mit einer Beschichtung aus oder mit Zink oder Aluminium versehen. Diese typischen Beschichtungswerkstoffe sind mit einer im Vergleich zu Stahl sehr geringen Schmelz- und Verdampfungstemperatur gekennzeichnet, was das Fügen solcher Bleche aus den bereits ausgeführten Gründen erschwert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist mindestens eine Oberfläche der zu fügenden Bleche einen Beschichtungswerkstoff auf, wobei dieser nicht auf die beispielhaft Genannten beschränkt ist, sondern alle Beschichtungswerkstoffe einschließt, deren Schmelz- und Verdampfungstemperatur deutlich geringer als die des Blechwerkstoffes beziehungsweise der Blechwerkstoffe ist. Auch soll nachfolgend vereinfachend die Formulierung Beschichtungswerkstoff in Einzahl gleichbedeutend mit der Mehrzahl verwendet werden, da die wesentliche Eigenschaft, nämlich die niedrige Verdampfungs- und Schmelztemperatur, für diese Beschichtungen typisch und gemein ist.
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Das Fügen der Bleche soll in einem Überlappungsbereich erfolgen. In diesem Bereich sind die zu fügenden Bleche zumindest abschnittsweise bezogen auf eine Drauf- oder Ansicht überlappend oder überschneidend angeordnet. Die Schweißverbindung soll in diesem Bereich ausgebildet werden. Der Bereich, in dem die Schweißnähte beziehungsweise die Schweißverbindung ausgebildet werden soll(en), wird nachfolgend auch als Fügebereich bezeichnet.
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Die zu fügenden Bleche liegen in dem Überlappungsbereich plan, also eben oder formangepasst aneinander, befinden sich also in flächigem berührenden Kontakt. Dies ist auch als der technische Nullspalt definiert, da er nahezu keinen Abstand und damit kein geometrisches Maß diesbezüglich aufweist.
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Das Fügen, also das Schweißen wird durch mindestens drei Laserstrahlen verwirklicht. Dabei werden mindestens zwei Vorlaufstrahlen und ein Hauptstrahl in den Fügebereich fokussiert. Die Vorlaufstrahlen sind lateral, also seitlich von der Vorschubachse des Schweißvorgangs, die den geplanten Verlauf der Schweißnaht angibt, beabstandet. Gleichzeitig werden sie mit mindestens einem Abstand vor dem Hauptstrahl über den zu fügenden Bereich geführt. Über den Bereich führen soll dabei eine Relativbewegung der Strahlen zu den zu fügenden Blechen beschreiben und kann demnach auch eine Bewegung der zu fügenden Bleche an den Laserstrahlen vorbei bedeuten.
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Die mindestens zwei Vorlaufstrahlen bewirken jeweils einen ersten Stoffschluss. Das bedeutet, sie verbinden durch eine dem Bearbeitungsprozess angepasste Leistungsdichte und einen angepassten Fokusdurchmesser die zu fügenden Bleche miteinander, insbesondere werden die Bleche durchgeschweißt. Es entstehen also jeweils mit einem Abstand zur Vorschubachse zwei vorlaufende Schweißnähte.
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Den mindestens zwei Vorlaufstrahlen folgt der Hauptstrahl. Dieser wird entlang der Vorschubachse geführt. Der Hauptstrahl bewirkt ebenfalls eine stoffschlüssige Verbindung der Bleche, schweißt die zu fügenden Bleche also auch durch. Dabei wirken die beiden vorlaufenden Schweißnähte, die mittels der mindestens zwei Vorlaufstrahlen erzeugt wurden, als eine Barriere für geschmolzenen und/oder verdampften Beschichtungswerkstoff, der somit nicht mehr in den Fügebereich des Hauptstrahls und insbesondere in dessen Dampfkapillare eindringen kann. Dadurch kann die Schweißnaht des Hauptstrahls ohne die bekannten, aus dem Eindringen von verdampftem oder geschmolzenem Beschichtungswerkstoff in den Fügebereich bekannten Fehler ausgebildet werden.
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Durch die Isothermen der Vorlaufstrahlen wurde Beschichtungswerkstoff auch im Bereich des folgenden Hauptstrahls zumindest teilweise bereits geschmolzen und/oder verdampft. Geringe Mengen des Beschichtungswerkstoffs, der noch im unmittelbaren Einwirkungsbereich des Hauptstrahls vorhanden ist und unter Einwirken des Hauptstrahls verdampft und/oder schmilzt, kann durch die Dampfkapillare des Hauptstrahls entweichen und beeinträchtigt die Nahtausbildung nicht oder nur in vernachlässigbarem Maß.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Durchmesser der mindestens zwei Vorlaufstrahlen geringer als der Durchmesser des Hauptstrahls, insbesondere deutlich geringer. Der Durchmesser des Hauptstrahls soll also größer als die Durchmesser der Vorlaufstrahlen sein. Mit Durchmesser ist hier und nachfolgend der Fokusdurchmesser der Laserspots im Fügebereich gemeint.
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Die Durchmesser der Vorlaufstrahlen sollten so gewählt werden, dass in Verbindung mit der Leistungsdichte der jeweiligen Vorlaufstrahlen jeweils ein Durchschweißen aller miteinander zu fügenden Bleche erreicht werden kann. Da die vorlaufenden Schweißnähte vor allem zu dem Zweck gebildet werden, eine prozesstechnische Barriere für schmelzenden beziehungsweise verdampfenden Beschichtungswerkstoff auszubilden, kann ein Durchmesser gewählt werden, der gerade so groß ist, diese Funktion und die Verbindung der Bleche sicherzustellen. Der nachfolgende Hauptstrahl mit einem größeren Durchmesser stellt die stellt die notwendige Verbindungsnahtbreite ein, um die geforderte Festigkeit an die Schweißverbindung zu erreichen. Sie stellt also die notwendige Festigkeit der Verbindung unter Belastung bereit.
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Unter deutlich geringerem Durchmesser ist dabei zu verstehen, dass der Durchmesser des Hauptstrahls um ein Vielfaches größer als die Durchmesser der Vorlaufstrahlen ist.
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In einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die mindestens zwei Vorlaufstrahlen den gleichen Durchmesser, in Vorschubrichtung den gleichen Abstand zum Hauptstrahl und/oder den gleichen Abstand zur Vorschubachse auf.
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Werden die Vorlaufstrahlen mit untereinander gleichen Durchmessern in den Fügebereich fokussiert, ist dies technisch einfach zur verwirklichen, weil gleiche Elemente oder Konfigurationen in dem Fokussiermittel zur Ausbildung beziehungsweise Aufteilung der einzelnen Vorlaufstrahlen gewählt werden können. Zudem werden so gleichartige vorlaufende Schweißnähte ausgebildet, die auch eine gleiche Barrierewirkung gegen verdampften oder geschmolzenen Beschichtungswirkstoff bewirken.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Abstand der Vorlaufstrahlen zu der Vorschubachse gleich gewählt. Damit ergibt sich eine symmetrische Verteilung der vorlaufenden Schweißnähte in Bezug auf die Hauptschweißnaht. Auch in diesem Fall wird die technische Umsetzung vereinfacht, weil gleiche Elemente oder Konfigurationen in dem Fokussiermittel zur Ausbildung beziehungsweise Aufteilung der einzelnen Vorlaufstrahlen gewählt werden können.
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Alternativ oder zusätzlich dazu weisen die Vorlaufstrahlen jeweils den gleichen Abstand von zum Hauptstrahl in Vorschubrichtung auf. Neben der Vereinfachung der technischen Umsetzung wird auf diese Weise auch sichergestellt, dass in allen vorlaufenden Schweißnähten das Fügen gleichzeitig erfolgt, so dass ein Verziehen der zu fügenden Bleche durch ungleichmäßigen Belastungseintrag infolge des Schweißens gemindert oder vermieden wird. Diese Wirkung gilt selbstverständlich auch für die Abstände der Vorlaufstrahlen von der Vorschubachse und/oder die Durchmesser der Vorlaufstrahlen.
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In einer nächsten bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die mindestens zwei Vorlaufstrahlen soweit von der Vorschubachse beabstandet, dass jeweils voneinander getrennte Schmelzbäder ausgebildet werden. Die Schmelzbäder sollen sich nicht miteinander verbinden, da sonst turbulente inhomogene Strömungen entstehen, die nicht beherrschbar sind und die entstehende Schweißnaht negativ beeinflussen können. Zudem muss der Abstand so eingestellt werden, dass die insgesamt erforderliche Verbindungsnahtbreite und damit die erforderliche Festigkeit der Fügeverbindung erreicht wird. Der Abstand ist dabei abhängig von den übrigen Prozessparametern wie beispielsweise den Blechwerkstoffen, Fokusdurchmesser der Vorlaufstrahlen und Leistungsdichte der Vorlaufstrahlen.
Durch diese geometrische Anordnung wird erreicht, dass durch die Isothermen der Vorlaufstrahlen bereits einen Teil des Beschichtungswerkstoffs im Wirkungsbereich des nachfolgenden Hauptstrahls verdampft wird und nicht mehr störend auf die Ausbildung der Hauptschweißnaht wirkt. Durch die unmittelbare Nähe der einzelnen Schweißnähte zueinander und insbesondere in Verbindung mit der Minimierung der Durchmesser der Vorlaufstrahlen wird ein einziger Verbindungsbereich auf kleinstem Raum ausgebildet, was zusätzlich auch optisch ansprechend ist.
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In einer übernächsten Ausgestaltung ist der Hauptstrahl soweit von den mindestens zwei Vorlaufstrahlen in Vorschubrichtung beabstandet, dass ein von den Schmelzbädern der Vorlaufstrahlen getrenntes Schmelzbad des Hauptstrahls ausgebildet wird. Auch hier ist der Abstand abhängig von den übrigen Prozessparametern wie beispielsweise den Blechwerkstoffen, Fokusdurchmesser von Vorlaufstrahlen und Hauptstrahl, und Leistungsdichte der Vorlaufstrahlen und des Hauptstrahls. Damit soll sichergestellt werden, dass die vorlaufenden Schweißnähte eine ausreichende Abkühlung erfahren haben, um die stoffschlüssige Verbindung der Bleche auszubilden und Barrierewirkung gegen den Eintritt von geschmolzenem und/oder verdampftem Beschichtungswirkstoff in den Fügebereich des Hauptstrahls sowie eine Verbindung der Schmelzbäder untereinander zu verhindern.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Vorlaufstrahlen zum Fügen von 2-Blechverbindungen oder 3-Blechverbindungen konfiguriert werden. Dabei sollen bevorzugt der Fokusdurchmesser und die Leistungsdichte der Vorlaufstrahlen so eingestellt werden, dass wahlweise 2-Blechverbindungen oder 3-Blechverbindungen verbunden, also durchgeschweißt werden können. Durch diese Konfiguration kann die eingebrachte Leistung jedes Laserstrahls beziehungsweise Vorlaufstrahls auf die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden und dabei gewährleistet werden, dass diese auch erfüllt werden. Insbesondere bei unsymmetrischen Verbindungsgeometrien der zu fügenden Bauteile beziehungsweise Bleche ist eine separate Einstellung oder Konfiguration der Vorlaufstrahlen zur sicheren Verbindung und unter Vermeidung unnötigen Spannungseintrags von Vorteil.
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In noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein zugeführter monofokaler Laserstrahl mittels eines diffraktiven optischen Elements in einen Hauptstrahl und mindestens zwei Vorlaufstrahlen aufgeteilt. Hierbei wird ein einziger Laserstrahl erzeugt und dem Fokussiermittel, das zum Fokussieren der Haupt- und Vorlaufstrahlen in den Fügebereich der zu fügenden Bleche ausgebildet ist, zugeführt, wo er mittels eines diffraktiven optischen Elements in die gewünschte Strahlanordnung aufgeteilt wird. Diffraktive optische Elemente sind optische Elemente zur Formung von Lichtstrahlen und insbesondere Laserstrahlen. Üblicherweise sind sie als Glasträger ausgeführt, auf denen Mikrostrukturen aufgebracht sind, mittels derer ein einfallender Laserstrahl in gewünschter Weise aufgeteilt werden kann. Dies schließt sowohl die Anzahl der Teilstrahlen, als auch deren Position zueinander ein. Die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen weist den Vorteil auf, dass sie die Funktion eine größeren Anzahl konventioneller optischer Elemente übernehmen und somit eine kompakte Bauweise ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können Form, Größe und/oder Intensität der Teilstrahlen individuell eingestellt werden. Mit Teilstrahlen sind dabei sowohl der Hauptstrahl als auch die Vorlaufstrahlen gemeint. Es ist also vorgesehen, dass für jeden der Teilstrahlen individuell die Form des Laserspots auf den zu fügenden Blechen, seine Größe und/oder seine Intensität im Sinne der Leistungsdichte einzeln eingestellt werden kann. Die Form der Laserspots im Fügebereich kann beispielsweise kreisförmig, rechteckig oder quadratisch sein. Die Größe beschreibt die Fläche des Laserspots. Selbstverständlich können die einzelnen Parameter für die Strahlen auch gleich eingestellt werden. Durch die individuelle Anpassungsmöglichkeit für jeden der Teilstrahlen kann das Verfahren individuell auf den vorliegenden Anwendungsfall und die vorherrschenden Bedingungen des Materialbearbeitungsprozesses angepasst werden, beispielsweise wenn unsymmetrische Blechverbindungen ausgebildet werden sollen oder Eigenschaften von Blechen innerhalb des Fügebereichs variieren.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum mehrfokalen Laserstrahlschweißen von mindestens zwei beschichteten Blechen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beansprucht, die sich dadurch auszeichnet, dass sie mindestens eine Laserstrahlungsquelle, die mit mindestens einem Strahlungsleiter gekoppelt ist, und eine Fokussiereinrichtung aufweist, die mit dem mindestens einen Strahlungsleiter gekoppelt ist, wobei die Fokussiereinrichtung ausgebildet ist, die von der mindestens einen Laserstrahlungsquelle zugeführte Laserstrahlung in einen Hauptstrahl und mindestens zwei Vorlaufstrahlen in den Fügebereich zu fokussieren.
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Demnach kann mindestens eine Laserstrahlungsquelle über mindestens einen Strahlungsleiter mindestens einen Laserstrahl bereitstellen, der durch die Fokussiereinrichtung aufgeteilt und in den Fügebereich fokussiert wird. So kann beispielsweise ein einziger Laserstrahl in der Laserstrahlungsquelle erzeugt und in den Strahlungsleiter eingekoppelt werden, der dann dem Fokussiermittel zugeführt wird. Im Fokussiermittel erfolgt die Aufteilung in einen Hauptstrahl und mindestens zwei Vorlaufstrahlen. Alternativ dazu können der Fokussiereinrichtung mehrere Laserstrahlen, nämlich einer für den Hauptstrahl und je einer für jeden Vorlaufstrahl, zugeführt werden, die von dieser dann an die gewünschte Position im Fügebereich fokussiert werden. Auch eine Ausgestaltung mit einem Laserstrahl für die Fokussierung als Hauptstrahl und einem weiteren, der durch die Fokussiereinrichtung in die Vorlaufstrahlen aufgeteilt und in den Fügebereich fokussiert wird, ist von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umschlossen.
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Vorzugsweise weist die Fokussiereinrichtung ein diffraktives optisches Element, je eine Fokussierlinse für einen Laserstrahl oder eine Fokussierlinse für den Durchtritt mehrerer Laserstrahlen auf.
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Diffraktive optische Elemente haben den Vorteil, dass die Fokussiereinrichtung kompakter und einfacher ausgebildet werden kann, da eine geringere Anzahl optischer Elemente vorgesehen werden muss. Diese diffraktiven optischen Elemente können entsprechend der Erfordernisse aus dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgefertigt und in die Fokussiereinrichtung eingebracht werden.
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Alternativ oder zusätzlich können alle oder einige der Teilstrahlen jeweils durch eine einzelne Fokussierlinse auf den Fügebereich fokussiert werden. Dabei kann durch die Anordnung der einzelnen Fokussierlinsen sowohl hinsichtlich ihrer Position, Abstände und Ausrichtung, aber auch durch die Linsengeometrie die gewünschte Strahlanordnung eingestellt werden. Sind die Fokussierlinsen zudem beweglich gelagert, kann auch eine Anpassung der Strahlgeometrie beziehungsweise Strahlanordnung für unterschiedliche Verbindungs- beziehungsweise Fügekonstellationen erreicht werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass alle oder einige der Teilstrahlen durch eine Fokussierlinse, die für den Durchtritt mehrere Laserstrahlen ausgebildet ist, geführt werden. Dies erlaubt eine kompaktere Anordnung in der Fokussiereinrichtung, ist aber weniger flexibel als die Verwendung mehrerer Einzellinsen für die Teilstrahlen. Die Verwendung einer Fokussierlinse für mehrere Teilstrahlen kann dennoch, insbesondere bei beweglicher Lagerung, eine Anpassung an unterschiedliche Verbindungs- beziehungsweise Fügekonstellationen realisieren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind nun Lösungen vorgestellt, mit der die Probleme und Hindernisse beim Fügen beschichteter Bleche mit Nullspalt ausgeräumt werden können. Mittels der Vorlaufstrahlen wird eine wirksame Barriere geschaffen, so dass kein geschmolzener und/oder verdampfter Beschichtungswerkstoff in den Fügebereich des Hauptstrahls eindringen kann und zu Schweiß- beziehungsweise Nahtfehlern führen kann. Ein Entgasungsspalt muss nicht mehr vorgesehen oder eingestellt werden. Dadurch, dass zusätzliche Bearbeitungsschritte vermieden werden, kann das Fügen der Bleche schnell und kostengünstig durchgeführt werden. Die weiteren Ausgestaltungen von Verfahren und Vorrichtung optimieren das Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung weiter.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 2 eine Schnittdarstellung des in 1 dargestellten Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine beispielhafte Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei sollen Bleche 40.1 und 40.2 miteinander gefügt werden, die mit einem Nullspalt, also ohne eine vorgesehene Beabstandung, übereinander angeordnet sind. Zur Verdeutlichung ist in 2 eine Schnittdarstellung gezeigt, deren Schnittachse in etwa entlang der Vorschubachse 60 in 1 verläuft. Nachfolgend werden die Figuren gemeinsam beschrieben.
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In 2 ist erkennbar, wie die Bleche 40.1 und 40.2 übereinanderliegen. Die Vorschubrichtung, also die Schweißrichtung, ist mittels Pfeil 30 gekennzeichnet. Die beiden Bleche 40.1 und 40.2 sind zum Korrosionsschutz jeweils beidseitig mit Zink beschichtet. Die Bleche 40.1 und 40.2 selbst sind Stahlbleche.
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Auf die zu fügenden Bleche 40.1 und 40.2 sind im Fügebereich 18 drei Laserstrahlen 10, 20.1 und 20.2 fokussiert. Die Strahlen 20.1 und 20.2 wirken als Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2, der Strahl 10 als Hauptstrahl.
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Die Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 haben jeweils einen deutlich geringeren Durchmesser als der Hauptstrahl. Der Hauptstrahl 10 wird entlang der Vorschubachse 60 geführt. Die Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 werden jeweils seitlich von der Vorschubachse 60 in einem Abstandgeführt, so dass sich ihre Schmelzbäder nicht verbinden können. Sie werden außerdem im gleichen Abstand in Vorschubrichtung 30 vom Hauptstrahl 10 über die Belche 40.1 und 40.2 geführt. Dieser ist so gewählt, dass eine Verbindung des Schmelzbades von Hauptstrahl 10 und Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 verhindert wird.
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Zur Ausbildung der Laserstrahlen 10, 20.1 und 20.2 wird ein Laserstrahl in einer Laserstrahlungsquelle (nicht gezeigt) erzeugt und mittels Strahlungsleiter in eine Laserbearbeitungsoptik mit einer Fokussiereinrichtung (beides nicht gezeigt) geführt. Die Fokussiereinrichtung weist ein diffraktives optisches Element auf, das dazu ausgebildet ist, den Hauptstrahl 10 und die Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 in der zuvor beschriebenen Anordnung auf die Bleche 40.1 und 40.2 zu fokussieren. Dabei wird der eingehende monofokale Laserstrahl durch das diffraktive optische Element so geformt, dass die ausgehenden Strahlen, insbesondere die Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 die notwendige Leistungsdichte und den notwendigen Fokusdurchmesser aufweisen, die in den Figuren gezeigte 2-Blechverbindung durchzuschweißen.
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Mittels der Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 wird nun jeweils ein erster Stoffschluss der Bleche 40.1 und 40.2 bewirkt, sie werden dabei durchgeschweißt. Während des Schweißens mittels der Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 wird im Umfeld des Laserspots im Fügebereich 18, insbesondere im Wirkungsbereich der Isothermen 22 der Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2, Zink verdampft und/oder geschmolzen, was durch die exemplarisch mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichneten Pfeile veranschaulicht ist. Im Nachgang der Vorlaufstrahlen 20.1 und 20.2 werden die Schweißnähte 24.1 und 24.2 ausgebildet.
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Die Schweißnähte 24.1 und 24.2 bilden eine Barriere für das Zink, dass durch die weitreichenden Isothermen 12 des Hauptstrahls 10 geschmolzen und/oder verdampft wird. Dieses ist durch die mit dem Bezugszeichen 52 gekennzeichneten Pfeile veranschaulicht. Durch die Barrierewirkung kann nun das geschmolzene und/oder verdampfte Zink 52 nicht in den Nahtbereich des Hauptstrahls 10 und insbesondere nicht in dessen Dampfkapillare eindringen und so Spritzer, Poren und Nahtfehler verursachen. Somit kann mit dem Hauptstrahl 10 eine fehlerfreie und tragfähige Schweißnaht 14 ausgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hauptstrahl
- 12
- Isothermen des Hauptstrahls
- 14
- Hauptschweißnaht
- 16
- Schmelzbad des Hauptstrahls
- 18
- Fügebereich
- 20
- Vorlaufstrahl
- 22
- Isothermen des Vorlaufstrahls
- 24
- Schweißnaht des Vorlaufstrahls
- 26
- Schmelzbad des Vorlaufstrahls
- 30
- Schweißrichtung
- 40
- Blech
- 50, 52
- aus der Fügeebene verdampfender Beschichtungswerkstoff
- 60
- Vorschubachse
