DE102020128464A1 - Verfahren zum Laserschweißen zweier dünner Werkstücke in einem Überlappungsbereich - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Werkstücke (W1, W2) entlang einer Schweißnaht (4),wobei zumindest in einem Überlappbereich (ÜB) ein erstes Werkstück (W1) mit einer Dicke D1 und ein zweites Werkstück (W2) mit einer Dicke D2 überlappend aufeinander angeordnet werden,wobei die Dicken D1, D2 der beiden Werkstücke (W1, W2) jeweils 400 µm oderweniger betragen,wobei im Überlappbereich (ÜB) mit einem entlang der Schweißnaht (4) geführten Laserstrahl (2) von der Seite des ersten Werkstücks (W1) das Material des ersten Werkstücks (W1) über seine gesamte Dicke D1 und das Material des zweiten Werkstücks (W2) über lediglich eine Teildicke TD seiner gesamten Dicke D2 aufgeschmolzen werden,und wobei das Laserschweißen so ausgeführt wird, dass der Laserstrahl (2) eine Dampfkapillare (1) erzeugt, die sich bis zu einer Kapillartiefe KT in das erste Werkstück (W1) oder in das erste und zweite Werkstück (W1, W2) hinein erstreckt, wobei gilt 0,33*EST ≤ KT ≤ 0,67*EST, mit Einschweißtiefe EST=D1+TD. Mit der Erfindung kann beim Verschweißen von dünnen Werkstücken eine hohe Nahtqualität bei hoher Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Werkstücke entlang einer Schweißnaht,
  wobei zumindest in einem Überlappbereich ein erstes Werkstück mit einer Dicke D1 und ein zweites Werkstück mit einer Dicke D2 überlappend aufeinander angeordnet werden,
  und wobei die Dicken D1, D2 der beiden Werkstücke jeweils 400 µm oder weniger betragen.
• Laserschweißen (auch genannt Laserstrahlschweißen) wird dazu eingesetzt, aufschmelzbare, meist metallische Werkstücke dauerhaft miteinander zu verbinden. Das Laserschweißen kann dabei mit vergleichsweise großer Geschwindigkeit, hoher Präzision (insbesondere mit schmaler Schweißnaht) und geringem thermischen Verzug der Werkstücke erfolgen.
• Je nach Strahlintensität des eingesetzten Laserstrahls kann das Laserschweißen als Wärmeleitungsschweißen oder als Tiefschweißen erfolgen.
• Beim Tiefschweißen erzeugt der Laserstrahl im Werkstückmaterial eine ausgeprägte Dampfkapillare (keyhole), die sich entlang der Strahlrichtung in das Werkstückmaterial hinein erstreckt. Durch Mehrfachreflexionen des Laserstrahls an den Wandungen der Dampfkapillare wird die Absorption im Werkstückmaterial erhöht. Der Werkstoff kann auch in der Tiefe und in einem großen Volumen aufgeschmolzen werden. Das Tiefschweißen kann mit vergleichsweise hoher Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit) erfolgen. Jedoch kommt es beim Tiefschweißen oft zu Spritzern und zu Porenbildung, und häufig wird auch eine unregelmäßige Einschweißtiefe entlang der Schweißnaht beobachtet (Spiking). Beim Verschweißen von dünnen Werkstücken kann es dann zu lokalen Anbindungsproblemen kommen; die Schweißnaht kann mechanisch instabil sein, oder es wird eine gewünschte Gasdichtigkeit oder auch eine gewünschte Qualität einer elektrischen Kontaktierung nicht erreicht.
• Beim Wärmeleitschweißen wird das Werkstückmaterial durch den Laserstrahl nahe der Oberfläche aufgeschmolzen, ohne dass eine merkliche Dampfkapillare entsteht. Die Einschweißtiefe wird wesentlich durch die Wärmeleitung des Werkstückmaterials bestimmt. Es treten kaum Unregelmäßigkeiten wie Spritzer oder Poren auf, und die Schweißnaht ist relativ glatt. Nachteilig ist jedoch eine vergleichsweise geringe Vorschubgeschwindigkeit und Einschweißtiefe; auch kann es zu vermehrtem thermischem Verzug kommen.
• Aufgabe der Erfindung
• Es ist Aufgabe der Erfindung, beim Verschweißen von dünnen Werkstücken eine hohe Nahtqualität bei hoher Vorschubgeschwindigkeit zu erreichen.
• Beschreibung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Werkstücke entlang einer Schweißnaht, wobei zumindest in einem Überlappbereich ein erstes Werkstück mit einer Dicke D1 und ein zweites Werkstück mit einer Dicke D2 überlappend aufeinander angeordnet werden,
  wobei die Dicken D1, D2 der beiden Werkstücke jeweils 400 µm oder weniger betragen,
  wobei im Überlappbereich mit einem entlang der Schweißnaht geführten Laserstrahl von der Seite des ersten Werkstücks das Material des ersten Werkstücks über seine gesamte Dicke D1 und das Material des zweiten Werkstücks über lediglich eine Teildicke TD seiner gesamten Dicke D2 aufgeschmolzen werden,
  und wobei das Laserschweißen so ausgeführt wird, dass der Laserstrahl eine Dampfkapillare erzeugt, die sich bis zu einer Kapillartiefe KT in das erste Werkstück oder in das erste und zweite Werkstück hinein erstreckt, wobei gilt 0,33*EST ≤ KT ≤ 0,67*EST, mit Einschweißtiefe EST=D1+TD.
• Die vorliegende Erfindung schlägt vor, das Laserschweißen von zwei dünnen Werkstücken im Überlappstoß in einem Übergangsbereich zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen zu führen („Transition mode welding“). Dadurch ist es möglich, die Vorteile beider Verfahren großteils zu nutzen, und die Nachteile beider Verfahren weitgehend zu vermeiden. Insbesondere kann eine ausreichende Einschweißtiefe mit großer Genauigkeit eingehalten werden, so dass insbesondere auch gasdichte und elektrisch gut leitfähige Verbindungen zuverlässig eingerichtet werden können. Gleichzeitig kann mit einer vergleichsweise hohen Vorschubgeschwindigkeit gefertigt werden.
• Unter den erfindungsgemäßen Bedingungen für die Kapillartiefe KT (Erstreckung der Dampfkapillare ins Werkstückmaterial hinein) im Verhältnis zur Einschweißtiefe EST (Erstreckung des Schmelzbades ins Werkstückmaterial hinein) erfolgt das Verschweißen in dem gewünschten Übergangbereich zwischen Wärmeleitschweißen und Tiefschweißen, und eine hohe Schweißnahtqualität ist mit relativ hoher Vorschubgeschwindigkeit erreichbar.
• Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht eine Dampfkapillare, diese ist jedoch im Vergleich zum herkömmlichen Tiefschweißen relativ kurz ausgebildet (in Richtung in das Werkstückmaterial hinein bzw. in Laserstrahlrichtung). Die Einschweißtiefe wird sowohl durch Wärmeleitung, als auch durch die Tiefe der Dampfkapillare wesentlich bestimmt, wobei die beiden Anteile näherungsweise gleich groß sind. Dadurch kann eine größere Einschweißtiefe als beim Wärmeleitungsschweißen erreicht werden, die insbesondere gut für das Verschweißen von dünnen Werkstücken wie Blechen geeignet ist. Gleichzeitig bleibt aber die Schmelzbaddynamik noch gering, insbesondere auch weil die Gesamtmenge des aufgeschmolzenen Materials relativ gering bleibt. Die Energieabsorption aus dem Laserstrahl in das Werkstückmaterial ist weniger stark ist als beim Tiefschweißen, weil die geringe Kapillartiefe nur wenige Reflexionen des Laserstrahls innerhalb der Dampfkapillare erlaubt. Zudem gleicht das im Wesentlichen mit der Vorschubgeschwindigkeit synchrone Aufschmelzen des Werkstückmaterials durch Wärmeleitung demgegenüber schnellere dynamische Bewegungen im Schmelzbad großteils aus.
• Die Messung der Einschweißtiefe EST ist während des Schweißprozesses beispielsweise mittels Ultraschallwellen möglich, die an der Grenzfläche von flüssigem Werkstückmaterial und festem Werkstückmaterial reflektiert werden. Die Messung der Kapillartiefe KT der Dampfkapillare kann während des Schweißprozesses beispielsweise mittels der Reflektion eines Messlaserstrahls am Kapillarboden erfolgen. Andere Parameter sind meist vorbekannt (etwa Fokusdurchmesser des Laserstrahls) oder mittels anderer Sensoren während des Schweißprozesses leicht ermittelt werden. Beispielsweise können einige Parameter während des Schweißprozesses optisch mit einer Kamera gemessen werden, insbesondere die Breite B der Schweißnaht/des aufgeschmolzenen Bereichs oder die Kapillarbreite KB an der Werkstückoberfläche quer zur Vorschubrichtung, die näherungsweise dem Fokusdurchmesser FDQ quer zur Vorschubrichtung entspricht. Entsprechend kann die Einhaltung der erfindungsgemäßen Bedingungen, falls gewünscht, während des Schweißprozesses überprüft und ggf. nachgeregelt werden.
• Um die Dampfkapillare herum entsteht näherungsweise gleichmäßig in alle Richtungen (in der Ebene quer zur Vorschubrichtung) ein aufgeschmolzener Bereich einer Schmelzbreite SB. Wenn man den Fokusdurchmesser FDQ des Laserstrahls an der dem Laserstrahl zugewandten (vorderen) Oberfläche des ersten Werkstücks W1 quer zur Schweißrichtung kennt, der ungefähr der dortigen Breite der Dampfkapillare KB entspricht, kann über die Breite B der Schweißnaht an der vorderen Werkstückoberfläche die Schmelzbreite SB gut bestimmt werden zu SB=(B-FDQ)/2. Aus der Differenz der Einschweißtiefe EST, die im Schliffbild (Querschliff) gut zu erkennen ist, und der so bestimmten Schmelzbereite SB kann dann auch die Kapillartiefe KT im Schliffbild näherungsweise bestimmt werden zu KT=EST-SB. Entsprechend kann auch die Einhaltung der erfindungsgemäßen Bedingungen leicht nachträglich am geschweißten Werkstück überprüft werden, und ggf. können Prozessparameter dann iteriert werden, um die erfindungsgemäßen Bedingungen bei zukünftigen Werkstücken einzuhalten.
• Man beachte, dass die Schmelzbreite SB im Rahmen der Erfindung meist ungefähr der Kapillartiefe KT entspricht, bevorzugt mit 0,67*SB≤KT≤1,33*SB, besonders bevorzugt 0,80*SB≤KT≤1,20*SB.
• Die Dicken und Tiefen werden jeweils senkrecht zur dem Laserstrahl zugewandten Oberfläche des ersten Werkstücks bestimmt (insbesondere KT, EST, D1, D2). Bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung zum Laserschweißen ein ungestreckter Laserstrahl (mit einem Aspektverhältnis FDQ/FDL um die 1, meist mit 0,8 ≤ FDQ/FDL ≤ 1,2, bevorzugt 0,9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1,1) eingesetzt. Der Fokus des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche ist typischerweise rund (isotroper Laserstrahl).
• Bevorzugte Varianten der Erfindung
• Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gilt $$\text{0}\text{,40*EST}\le \text{KT}\le \text{0}\text{,60*EST}$$

  

  bevorzugt 0,45*EST≤ KT ≤ 0,55*EST. Dieser Parameterbereich hat sich in der Praxis besonders bewährt. Die Anteile von Wärmeleitung und Kapillartiefe an der Einschweißtiefe sind dann besonders gut ausgewogen.
• Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der gilt $$\text{0}\text{,25*D2}\le \text{TD}\le \text{0}\text{,75*D2}$$

  

  bevorzugt 0,33*D2 ≤ TD ≤ 0,67*D2,
  besonders bevorzugt 0,40*D2 ≤ TD ≤ 0,60*D2. Dadurch kann eine besonders zuverlässige Verbindung des zweiten Werkstücks an das erste Werkstück erreicht werden. Es wird zum einen eine ausreichende Teildicke des zweiten Werkstücks aufgeschmolzen, um eine mechanische Mindestanbindung sicherzustellen. Gleichzeitig wird auch nicht eine zu große Teildicke aufgeschmolzen, was die Gefahr eines Durchschweißens vermindert; eine Durchschweißung kann die Verbindung mechanisch aufgrund von Materialverlust schwächen. Zudem wird bei größeren Teildicken, insbesondere TD >0,5*D2, die mechanische Anbindung meist nicht mehr verbessert, es steigt aber der Energiebedarf des Schweißprozesses und gleichzeitig auch die Gefahr einer unerwünscht hohen Schmelzbaddynamik.
• Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der das Laserschweißen so geführt wird, dass für eine Breite KB der Dampfkapillare an einer dem Laserstrahl zugewandter Oberfläche des ersten Werkstücks, gemessen quer zu einer Verlaufsrichtung der Schweißnaht, gilt: $$\mathrm{0,50}\le \text{KT}/\text{KB}\le \text{2}\text{,00}\text{,}$$

  

  bevorzugt 0,75 ≤ KT/KB ≤ 1,50,
  insbesondere wobei für einen Fokusdurchmesser FDQ des Laserstrahls quer zu einer Vorschubrichtung des Laserstrahls und einen Fokusdurchmesser FDL des Laserstrahls entlang der Vorschubrichtung, jeweils gemessen in der Ebene der dem Laserstrahls zugewandten Oberfläche des ersten Werkstücks, gilt: $$\mathrm{0,8}\le \text{FDQ/FDL}\le \mathrm{1,2,}$$

  

  bevorzugt 0,9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1,1. Bei den angegebenen Aspektverhältnissen für KT/KB werden das gewünschte Übergangsschweißen und die damit einhergehenden Vorteile, insbesondere eine gleichmäßige Einschweißtiefe EST und eine hohe mögliche Vorschubgeschwindigkeit, am besten erreicht. Diese Aspektverhältnisse für KT/KB passen insbesondere gut, wenn FDL≥FDQ. Zudem hat sich die Verwendung eines Lasers mit ungestrecktem Fokusprofil, beispielsweise mit näherungsweise Punktfokus, mit einem Aspektverhältnis FDQ/FDL um die 1 bewährt, insbesondere um die Schmelzbaddynamik gering zu halten. Oft gilt auch 0,50 ≤ EST/B ≤ 1,50, bevorzugt 0,75 ≤ EST/B ≤ 1,25.
• Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der der Laserstrahl eine mittlere Wellenlänge λ aufweist,
  mit λ ≤ 1200 nm,
  bevorzugt wobei
1. a) 900 nm ≤ λ ≤ 1100 nm, insbesondere λ=1030 nm oder 1064 nm oder 1070 nm, oder
2. b) 500 nm ≤ λ ≤ 600 nm, insbesondere λ=515 nm, oder
3. c) 400 nm ≤ λ ≤ 500 nm, insbesondere λ=450 nm. Diese mittleren Laserwellenlängen eigenen sich gut für das Verschweißen von dünnen Werkstücken wie Stahlblechen.
• Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante, bei der der Laserstrahl eine mittlere Laserleistung P aufweist, mit $$60\text{W}\le \text{P}\le 1200\text{W},$$

  

  bevorzugt 100 W ≤ P ≤ 500 W. Mit diesen Laserleistungen lässt sich in der Praxis bei vielen Werkstücktypen das erfindungsgemäße Laserschweißen im Übergangsbereich gut umsetzen.
• Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der der Laserstrahl in der Ebene der dem Laserstrahl zugewandten Oberfläche des ersten Werkstücks einen Fokusdurchmesser FD aufweist, mit $$10\mathrm{\mu }\text{m}\le \text{FD}\le 100\mathrm{\mu }\text{m},$$

  

  bevorzugt 14 µm ≤ FD ≤ 60 µm,
  besonders bevorzugt 25 µm ≤ FD ≤ 39 µm. Diese Durchmesser können in der Praxis gut dafür eingesetzt werden, dünne Werkstücke im Rahmen der Erfindung im Übergangsbereich zu verschweißen. Der Fokusdurchmesser FD wird hier als ein maximaler Fokusdurchmesser angenommen, wobei in der Regel 0,8 ≤ FDQ/FDL ≤ 1,2, bevorzugt 0,9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1,1 gilt.
• Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der für eine Breite B des aufgeschmolzenen Materials des ersten Werkstücks an dessen dem Laserstrahl zugewandter Oberfläche, gemessen quer zu einer Verlaufsrichtung der Schweißnaht, gilt: $$60\mathrm{\mu }\text{m}\le \text{B}\le 600\mathrm{\mu }\text{m},$$

  

  bevorzugt 80 µm ≤ B ≤ 400 µm,
  besonders bevorzugt 100 µm ≤ B ≤ 200 µm. In diesem Bereich kann mit den dünnen Werkstücken eine gute mechanische Anbindung erreicht werden.
• Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der gilt: $$\text{D1}\le 250\mathrm{\mu }\text{m und D2}\le 250\mathrm{\mu }\text{m},$$

  

  bevorzugt wobei 50 µm ≤ D1 ≤ 200 µm und 50 µm ≤ D2 ≤ 200 µm,
  besonders bevorzugt 75 µm ≤ D1 ≤ 100 µm und 75 µm ≤ D2 ≤ 100 µm. Bei diesen Werkstückdicken haben sich in der Praxis sehr gute Schweißnahtqualitäten bei hoher Schweißgeschwindigkeit erreichen lassen. In vielen Anwendungsfällen gilt D1=D2 oder auch 0,8*D1 ≤ D2 ≤ 1,2*D1, zumindest im Bereich der Schweißnaht.
• Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der gilt: $$50\mathrm{\mu }\text{m}\le \text{EST}\le 600\mathrm{\mu }\text{m},$$

  

  bevorzugt 60 µm ≤ EST ≤ 400 µm,
  besonders bevorzugt 75 µm ≤ EST ≤ 225 µm. Diese Einschweißtiefen sind im Rahmen der Erfindung sehr gut realisierbar, insbesondere auch sehr konstant über die Länge der Schweißnaht. Die Einschweißtiefe EST schwankt bei einer erfindungsgemäßen Verschweißung in der Regel weniger als 20%, meist weniger als 10%, und oft weniger als 5% um ihren Mittelwert.
• Vorteilhaft ist eine Variante, bei der der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit v relativ zu den Werkstücken bewegt wird, mit $$\text{v}\ge 5\text{m/min},$$

  

  bevorzugt v ≥ 10 m/min,
  insbesondere wobei der Laserstrahl mit einem Laserscanner abgelenkt wird. Die angegebenen hohen Vorschubgeschwindigkeiten (Schweißgeschwindigkeiten) können im Rahmen der Erfindung in der Regel problemlos bei guter Schweißnahtqualität eingerichtet werden, und gestatten eine hohe Fertigungseffizienz.
• Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der die beiden Werkstücke als gekrümmte Bleche ausgebildet sind, die während des Laserschweißens mit konvex gekrümmten Außenseiten aufeinander gepresst werden, so dass die Bleche in einer Kontaktzone durch elastische Verformung näherungsweise planparallel ausgerichtet sind und aneinander anliegen, wobei der Laserstrahl die beiden Bleche im Bereich dieser Kontaktzone entlang der Schweißnaht verschweißt,
  insbesondere wobei die beiden gekrümmten Bleche aus Stahl gefertigt sind. Durch dieses Vorgehen wird eine besonders robuste Verbindung der Werkstücke ermöglicht. Die elastische Verformung vermeidet oder minimiert einen Spalt (Leerraum) zwischen den Werkstücken während des Schweißprozesses, und die Verschweißung wird, trotzt der Krümmung der Werkstücke im entspannten Zustand, über die gleiche Breite wie bei ebenen Werkstücken erreicht.
• Vorteilhaft sich auch eine Variante, bei der die beiden Werkstücke als flexible Metallfolien ausgebildet sind. Beim Verschweißen der flexiblen Metallfolien kann mit der Erfindung eine sehr zuverlässige, robuste mechanische Verbindung erzeugt werden. Typischerweise werden die Folien während des Schweißens mit einem Stempel aufeinander gedrückt.
• In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch die Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Verschweißen von durch die beiden Werkstücke ausgebildeten elektrischen Leitern und/oder Gasabdichtungen. Die Erfindung ermöglicht eine sehr zuverlässige Schweißverbindung der beiden Werkstücke, die hohen Anforderungen an Gasdichtigkeit (oder auch Flüssigkeitsdichtigkeit) gerecht wird, und niedrige elektrische (oder auch thermische) Übergangswiderstände zwischen den Werkstücken sicherstellen kann. Daher ist die Verwendung bei elektrischen Leitern und Gasabdichtungen besonders vorteilhaft. zi
• Bei einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Verwendung sind die beiden Werkstücke Bipolarplatten einer Brennstoffzelle. Die Bipolarplatten einer Brennstoffzelle müssen in der Regel sowohl gasdicht verbunden sein (meist für Sauerstoff) als eine gute elektrische Verbindung haben, um mit der Brennstoffzelle erzeugten Strom verlustarm weiterleiten zu können. Zudem weisen Bipolarplatten Dicken auf, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren gut verbunden werden können.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
• Figurenliste
• 1a zeigt einen schematischen Querschnitt durch zwei Werkstücke, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt werden, senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls und auf Höhe der Dampfkapillare;
• 1b zeigt eine schematische Schrägansicht auf die Werkstücke von 1a;
• 2a zeigt einen schematischen Querschnitt durch zwei Werkstücke, die abweichend von der Erfindung mit Wärmeleitungsschweißen geschweißt werden;
• 2b zeigt einen schematischen Querschnitt durch zwei Werkstücke, die gemäß der Erfindung im Übergangsbereich von Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen geschweißt werden;
• 2c zeigt einen schematischen Querschnitt durch zwei Werkstücke, die abweichend von der Erfindung mit Tiefschweißen geschweißt werden;
• 3a zeigt einen schematischen Querschnitt durch zwei konvex gekrümmte Werkstücke, die gemäß der Erfindung verschweißt werden sollen;
• 3b zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Werkstücke von 3a, die im aufeinander gepressten, elastisch verformten Zustand gemäß der Erfindung verschweißt werden.
• Die 1a in einem schematischen Querschnitt (senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR und in der Mitte einer Dampfkapillare 1) und die 1b in einer schematischen Schrägansicht illustrieren eine beispielhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen zweier dünner Werkstücke W1, W2. Die Werkstücke W1, W2 sind zur Vereinfachung nur ein einem Teilbereich dargestellt. Die Werkstücke W1, W2 können beispielsweise als flexible Folien ausgebildet sein.
• Das erste Werkstück W1 und das zweite Werkstück W2 sind in einem Überlappungsbereich ÜB überlappend aufeinanderliegend angeordnet; hierfür können geeignete Haltewerkzeuge eingesetzt werden (z.B. Roboterarme oder Stempel, nicht näher dargestellt). Die Werkstücke W1, W2 besitzen im Überlappungsbereich ÜB die Dicken D1 und D2, wobei hier die Dicken mit D1=D2=100 µm gewählt sind. Die Werkstücke W1, W2 sind meist aus metallischem Material gefertigt. Die Dicken D1, D2 werden senkrecht zu einer Oberfläche 3 des ersten Werkstücks W1 gemessen.
• Ein Laserstrahl 2 ist auf die Oberfläche 3 des ersten Werkstücks W1 gerichtet, um die Werkstücke W1, W2 im Überlappstoß miteinander zu verschweißen. Der Laserstrahl 2 wird dabei relativ zu den Werkstücken W1, W2 entlang der Vorschubrichtung VR bewegt, typischerweise mittels eines Laserscanners (nicht dargestellt), der beispielsweise mit einem mittels Piezoantrieb beweglichen Spiegel ausgebildet ist. Der Laserstrahl 2 ist beispielsweise durch einen IR-Laser mit einer Wellenlänge von 1030 nm erzeugt. Der Laserstrahl 2 erzeugt dadurch eine Schweißnaht 4 mit einer Verlaufsrichtung VLR, die der Vorschubrichtung VR entspricht.
• Der Laserstrahl 2 erzeugt hier im Material des ersten Werkstücks W1 die Dampfkapillare 1 (man beachte, dass die Dampfkapillare in anderen Varianten auch bis in das zweite Werkstück hinein reichen kann, wenn das zweite Werkstück deutlich dicker ist als das erste Werkstück, nicht dargestellt). Die Dampfkapillare 1 weist an der Oberfläche 3 des ersten Werkstücks W1 eine (maximale) Kapillarbreite KB auf, die recht genau dem in einer Querrichtung QR gemessenen (maximalen) Fokusdurchmesser FDQ des Laserstrahls 3 entspricht. Die Querrichtung QR verläuft senkrecht zur Vorschubrichtung VR und in der Ebene der dem Laserstrahl 2 zugewandten Oberfläche 3 des ersten Werkstücks W1.
• Der Laserstrahl 2 ist hier als ein kreisförmiger Punktfokus ausgebildet, so dass ein (maximaler) Fokusdurchmesser FDL (auch genannt Fokuslängsdurchmesser) entlang der Vorschubrichtung VR gleich dem Fokusdurchmesser FDQ (auch genannt Fokusquerdurchmesser) in Querrichtung QR ist. Der Laserstrahl 2 weist hier einen richtungsunabhängigen, einheitlichen Fokusdurchmesser FD auf, was eine bevorzugte Variante darstellt.
• Die Dampfkapillare 1 reicht bis zu einer Kapillartiefe KT hier in das Material des ersten Werkstücks W1 hinein. In der gezeigten Variante beträgt KT ungefähr 3/4 der Dicke D1, also ca. 75 µm.
• Um die Dampfkapillare 1 herum wird das Material der Werkstücke W1, W2 aufgeschmolzen; es bildet sich also ein Schmelzbad 5 aus. Ausgehend von der Dampfkapillare 1 wird dabei das Material (in der in 1a gezeigten Querschnittsebene senkrecht zur Vorschubrichtung VR) in alle Richtungen gleichmäßig über eine näherungsweise einheitliche Schmelzbreite SB aufgeschmolzen. Die Schmelzbreite SB beträgt hier ca. 65 µm. Entsprechend wird das Material des zweiten Werkstücks W2 über eine Teildicke TD von hier ca. 40 µm aufgeschmolzen. Die Einschweißtiefe EST=D1+TD, bis zu der ausgehend von der Oberfläche 3 das Material der Werkstücke W1, W2 insgesamt aufgeschmolzen wird, beträgt hier ca. 140 µm. Damit gilt hier ungefähr KT=0,54*EST.
• In der gezeigten Variante hat außerdem die Dampfkapillare KB eine Kapillarbreite KB von ungefähr 50 µm,die in Querrichtung QR in der Ebene der Werkstückoberfläche 3 gemessen wird. Man beachte, dass die Kapillarbreite KB recht genau dem Fokusdurchmesser FDQ in Querrichtung QR entspricht. Entsprechend ist die Kapillartiefe KT ungefähr 1,5 mal so groß wie die Kapillarbreite KB, also ca. KB/KT=1,50. Die Schweißnaht 4 besitzt eine Breite B (gemessen in Querrichtung QR) von hier ca. 180 µm,entsprechend der Summe KB+2*SB. Die Teildicke TD, über die in das zweite Werkstück W2 eingeschweißt wird, beträgt hier ungefähr 40% der gesamten Dicke D2, also TD=0,40*D2.
• Insbesondere die Laserleistung des Laserstrahls 2, der Fokusdurchmesser FD des Laserstrahls 2 an der Werkstückoberfläche 3 und eine Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit) des Laserschweißens wurden so gewählt, dass sich die hier gezeigten Verhältnisse von Dampfkapillare 1, Schmelzbad 5 und Werkstückgeometrie einstellt, um das Laserschweißen im Übergangsregime zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen auszuführen.
• Die 2a, 2b und 2c geben einen Überblick über die Verhältnisse von Kapillartiefen KT und Einschweißtiefen EST sowie von Kapillarbreiten KB und Kapillartiefen KT beim Laserschweißen in unterschiedlichen Schweißregimen in Querschnitten senkrecht zur Vorschubrichtung (ähnlich 1a); im gezeigten Beispiel wird dabei von einer ungestreckten Fokusgeometrie des Laserstrahl 2 ausgegangen (mit FDQ=FDL, etwa mit einem kreisrunden Punktfokus/isotroper Laserstrahl). Die 2a illustriert ein typisches Wärmeleitungsschweißen (heat conduction welding), die 2b ein typisches erfindungsgemäßes Laserschweißen im Übergangsbereich (transition mode welding) und 2c ein typisches Laserschweißen im Tiefschweißbereich (deep penetration welding).
• Beim Wärmeleitungsschweißen, wie in 2a dargestellt, erzeugt der Laserstrahl 2 eine nur sehr kleine, flache Dampfkapillare 1 mit einer geringen Kapillartiefe KT (oder sogar überhaupt keine merkliche Dampfkapillare, letzteres nicht dargestellt). Die erzeugte Einschweißtiefe EST beruht im Wesentlichen auf der Breite des Schmelzbades 5 bzw. der Schmelzbreite SB, wobei EST=KT+SB, also ist KT deutlich kleiner als SB. Man beachte, dass die Schmelzbreite SB* am untersten Punkt der Dampfkapillare 1 in der Praxis mit der Schmelzbreite SB** in der Werkstückoberfläche 3 sehr genau übereinstimmt, so dass im Folgenden die Schmelzbreite einheitlich mit SB bezeichnet wird. Im gezeigten Beispiel beträgt ca. KT=0,23*EST. Im Rahmen der Erfindung wird dem nicht gewünschten Wärmeleitregime der Bereich KT<0,33*EST zugeordnet. Die Einschweißtiefe EST reicht nur minimal in das zweite Werkstück W2 hinein, hier mit ca. TD=0,08*D2.
• Zudem ist im Wärmeleitregime (beim verwendeten isotropen Laserstrahl 2) zudem auch die Kapillartiefe KT deutlich kleiner als die Kapillarbreite KB. In 2a gilt ca. KT/KB=0,30. Im Rahmen der Erfindung wird dem nicht erwünschten Wärmeleitregime der Bereich KT/KB<0,50 zugeordnet.
• Die 2b illustriert das erfindungsgemäße Laserschweißen im Übergangsbereich. Der Laserstrahl 2 erzeugt eine mittelgroße Dampfkapillare 1. Die Einschweißtiefe EST beruht zu ungefähr gleichen Teilen auf der Kapillartiefe KT der Dampfkapillare 1 und der Schmelzbreite SB des Schmelzbades 5. Im gezeigten Beispiel beträgt ca. KT=0,5*EST. Im Rahmen der Erfindung wird dem gewünschten Übergangsregime der Bereich 0,33≤KT/EST≤0,67 zugeordnet. Die Einschweißtiefe EST reicht deutlich in das zweite Werkstück W2 hinein, hier mit ca. TD=0,6*D2.
• Im Übergangsregime ist zudem auch die Kapillartiefe KT ähnlich groß oder nur wenig größer als die Kapillarbreite KB. In 2b gilt ca. KT/KB=1,0. Im Rahmen der Erfindung (beim verwendeten isotropen Laserstrahl 2, oder zumindest wenn FDQ≤FDL) wird dem gewünschten Laserschweißen im Übergangsregime der Bereich 0,50≤KT/KB≤2,00 zugeordnet.
• Die 2c illustriert schließlich das Laserschweißen im Tiefschweißregime. Der Laserstrahl 2 erzeugt eine sehr große, tiefe Dampfkapillare 1. Die Einschweißtiefe EST beruht im Wesentlichen auf der Kapillartiefe KT der Dampfkapillare 1. Im gezeigten Beispiel beträgt ca. KT=0,88*EST. Im Rahmen der Erfindung wird dem nicht gewünschten Tiefschweißregime der Bereich KT>0,67*EST zugeordnet. Die Einschweißtiefe EST reicht hier durch fast das gesamte, zweite Werkstück W2 hindurch, hier mit ca. TD=0,96*D2 (in vielen Fällen kommt es im Tiefschweißregime sogar zur Durchschweißung, also TD=D2, letzteres nicht dargestellt).
• Im Tiefschweißregime (mit dem verwendeten isotropen Laserstrahls 2) ist zudem auch die Kapillartiefe KT deutlich größer als die Kapillarbreite KB. In 2c gilt ca. KT/KB=2,1. Im Rahmen der Erfindung wird dem nicht gewünschten Laserschweißen im Tiefschweißregime der Bereich KT/KB>2,0 zugeordnet.
• Die Kapillartiefe KT kann bei bekanntem Fokusdurchmesser FDQ in Querrichtung QR (oder bekannter Kapillarbreite KB) leicht aus der Breite B der Schweißnaht und der Einschweißtiefe EST ermittelt werden. B und EST sind im Schliffbild (Querschliff wie in 2a-2c) einfach zu erkennen oder können auch in situ mit Kamera und Ultraschall gut beobachtet werden. Aus B und FDQ (letzteres entspricht KB) kann SB bestimmt werden mit
  SB=(B-FDQ)/2, und weiterhin KT=EST-SB.
• Im Beispiel von 2a-2c ist D2 etwas größer als D1, oft gilt jedoch D1=D2.
• Die 3a zeigt schematisch zwei Werkstücke W1, W2, die als gekrümmte Bleche, insbesondere Stahlbleche, ausgebildet sind, in einem schematischen Querschnitt senkrecht zur gewünschten Schweißnaht. Die beiden Werkstücke W1, W2 sind hier als Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle ausgebildet. Man beachte, dass die 3a (ebenso wie die 3b) nur einen Teilbereich der Werkstücke W1, W2 zeigt, in welchem eine erfindungsgemäße Verschweißung erfolgen soll. Man beachte ebenfalls, das die zwei Werkstücke W1, W2 gegebenenfalls auch mehrere Schweißnähte erhalten können (nicht dargestellt).
• Die beiden Werkstücke W1, W2 besitzen einander zugewandte, konvex gekrümmte Außenseiten 31, 32. Legt man die beiden Werkstücke (Bleche) W1, W2 mit diesen gekrümmten Außenseiten aneinander, so kommt es lediglich zu einer Berührung entlang einer schmalen Kontaktlinie 30; im in 3a gezeigten Querschnitt senkrecht zu dieser Kontaktlinie 30 erscheint diese Kontaktlinie 30 als ein Punkt.
• Eine Verschweißung der Werkstücke W1, W2 entlang dieser Kontaktlinie 30 wäre sehr schwierig, da der Bereich, der bei planparalleler Anlage normalerweise aufgeschmolzen würde, teilweise in einem oder mehreren V-förmigen Leerräumen 33 zwischen den Werkstückaußenseiten 31, 32 liegen würde; dadurch könnten leicht Lücken oder zumindest schwache Bereiche in der Schweißnaht entstehen.
• Erfindungsgemäß werden die Werkstücke W1, W2 für das Verschweißen mit ihren konvexen Außenseiten 31, 32 aufeinander zu gedrückt (vgl. Pressrichtung 34), wodurch eine elastische Verformung der Außenseiten 31, 32 eintritt, vgl. 3b. Die konvexen Außenseiten 31, 32 werden dabei ein wenig flachgedrückt, und es bildet sich um die vormalige Kontaktlinie eine quer zur Pressrichtung ausgedehnte Kontaktzone 35 aus, in welcher die Werkstücke W1, W2 bzw. die Bleche näherungsweise planparallel zueinander ausgerichtet sind und aneinander anliegen.
• In diesem elastisch verformten Zustand der Werkstücke W1, W2 erfolgt das erfindungsgemäße Laserschweißen mit einem Laserstrahl 2, der auf die Werkstückoberfläche 3 des ersten Werkstücks W1 gerichtet ist. Die Vorschubrichtung des Laserstrahls 2 liegt hier senkrecht zur Zeichenebene der 3b. Der Laserstrahl 2 schmilzt das Material des ersten Werkstücks W1 über dessen volle Dicke D1 und das Material des zweiten Werkstücks W2 bis knapp zur Hälfte seiner Dicke D2 auf (vgl. z.B. 2b zu den Bedingungen des erfindungsgemäßen Übergangsregimes). Das Aufschmelzen des Werkstückmaterials findet innerhalb der Kontaktzone 35 statt, die gleichzeitig einen Überlappungsbereich ÜB der Werkstücke W1, W2 darstellt, in welchem die Werkstücke W1, W2 überlappend aufeinander liegen.
• Man beachte, dass die elastische Verformung der Werkstücke W1, W2 bzw. die Kraft des Anpressens so stark gewählt ist, dass eine Kontaktbreite KOB der Kontaktzone 35 größer ist als die Breite B der Schweißnaht 4. Dadurch kann eine besonders hochwertige Schweißnaht 4 erhalten werden, vergleichbar der Qualität einer Verschweißung von zwei ebenen, aneinander liegenden Werkstücken (wie in 1a gezeigt). Die in 3b erhältliche Schweißnaht kann insbesondere gasdicht und mit einem niedrigen elektrischen Widerstand zwischen den Werkstücken W1, W2 gefertigt werden.
• Nach dem Laserschweißen und ausreichender Abkühlung der Werkstücke W1, W2 wird die Presskraft wieder gelöst, und die Werkstücke W1, W2 federn näherungsweise in den in 3a gezeigten, elastisch entspannten Zustand zurück. Sie bleiben aber über die Breite B miteinander mit guter Nahtqualität verschweißt.
• In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Verschweißung insbesondere mit folgenden Parametern erfolgen:
• - Werkstückdicken D1=D2=75µm;
• - Einschweißtiefe EST= 112,5 µm;
• - FD=KB=31,5 µm;
• - KT=47,5 µm;
• - SB=65,25 µm;
• - B=162µm.
Somit gilt somit gilt hier KT/KB=1,5 und KT=0,42*EST und TD=0,5*D2.
• In einer anderen, bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Verschweißung insbesondere mit folgenden Parametern erfolgen:
• - Werkstückdicken D1=D2=75µm;
• - Einschweißtiefe EST= 112,5 µm;
• - FD=KB=31,5 µm;
• - KT=63 µm;
• - SB=49,5 µm;
• - B=130,5 µm.
Somit gilt somit gilt hier KT/KB=2,0 und KT=0,56*EST und TD=0,5*D2.
• Bezugszeichenliste

1

Dampfkapillare

2

Laserstrahl

3

Werkstückoberfläche

4

Schweißnaht

5

Schmelzbad

30

Kontaktlinie

31

Außenseite (erstes Werkstück)

32

Außenseite (zweites Werkstück)

33

Leerraum

34

Pressrichtung

35

Kontaktzone

B

Breite der Schweißnaht

D1

Dicke erstes Werkstück

D2

Dicke zweites Werkstück

EST

Einschweißtiefe

FD

(maximaler) Fokusdurchmesser

FDL

(größter) Fokusdurchmesser in Vorschubrichtung

FDQ

(größter) Fokusdurchmesser in Querrichtung

KB

Kapillarbreite

KOB

Kontaktbreite

KT

Kapillartiefe

QR

Querrichtung

SB

Schmelzbreite

SB*

Schmelzbreite (gemessen mittig unter der Dampfkapillare)

SB**

Schmelzbreite (gemessen an der Werkstückoberfläche)

TD

Teildicke

ÜB

Überlappungsbereich

VLR

Verlaufsrichtung der Schweißnaht

VR

Vorschubrichtung

W1

erstes Werkstück

W2

zweites Werkstück

Claims (15)

1. Verfahren zum Laserschweißen zweier Werkstücke (W1, W2) entlang einer Schweißnaht (4), wobei zumindest in einem Überlappbereich (ÜB) ein erstes Werkstück (W1) mit einer Dicke D1 und ein zweites Werkstück (W2) mit einer Dicke D2 überlappend aufeinander angeordnet werden, wobei die Dicken D1, D2 der beiden Werkstücke (W1, W2) jeweils 400 µm oder weniger betragen, wobei im Überlappbereich (ÜB) mit einem entlang der Schweißnaht (4) geführten Laserstrahl (2) von der Seite des ersten Werkstücks (W1) das Material des ersten Werkstücks (W1) über seine gesamte Dicke D1 und das Material des zweiten Werkstücks (W2) über lediglich eine Teildicke TD seiner gesamten Dicke D2 aufgeschmolzen werden, und wobei das Laserschweißen so ausgeführt wird, dass der Laserstrahl (2) eine Dampfkapillare (1) erzeugt, die sich bis zu einer Kapillartiefe KT in das erste Werkstück (W1) oder in das erste und zweite Werkstück (W1, W2) hinein erstreckt, wobei gilt 0,33*EST ≤ KT ≤ 0,67*EST, mit Einschweißtiefe EST=D1+TD.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt $$\text{0}\text{,40*EST}\le \text{KT}\le \text{0}\text{,60*EST},$$

   

   bevorzugt 0,45*EST:5 KT ≤ 0,55*EST.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt $$\text{0}\text{,25*D2}\le \text{TD}\le \text{0}\text{,75*D2}\text{,}$$

   

   bevorzugt 0,33*D2 ≤ TD ≤ 0,67*D2, besonders bevorzugt 0,40*D2 ≤ TD ≤ 0,60*D2.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das Laserschweißen so geführt wird, dass für eine Breite KB der Dampfkapillare (1) an einer dem Laserstrahl (2) zugewandter Oberfläche (3) des ersten Werkstücks (W1), gemessen quer zu einer Verlaufsrichtung (VLR) der Schweißnaht (4), gilt: $$\mathrm{0,50}\le \text{KT/KB}\le \mathrm{2,00,}$$

   

   bevorzugt 0,75 ≤ KT/KB ≤ 1,50, insbesondere wobei für einen Fokusdurchmesser FDQ des Laserstrahls (2) quer zu einer Vorschubrichtung (VR) des Laserstrahls (2) und einen Fokusdurchmesser FDL des Laserstrahls (2) entlang der Vorschubrichtung (VR), jeweils gemessen in der Ebene der dem Laserstrahls (2) zugewandten Oberfläche (3) des ersten Werkstücks (W1), gilt: $$\mathrm{0,8}\le \text{FDQ/FDL}\le \mathrm{1,2,}$$

   

   bevorzugt 0,9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1,1.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) eine mittlere Wellenlänge λ aufweist, mit λ ≤ 1200 nm, bevorzugt wobei a) 900 nm ≤ λ ≤ 1100 nm, insbesondere λ=1030 nm oder 1064 nm oder 1070 nm, oder b) 500 nm ≤ λ ≤ 600 nm, insbesondere λ=515 nm, oder c) 400 nm ≤ λ ≤ 500 nm, insbesondere λ=450 nm.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) eine mittlere Laserleistung P aufweist, mit $$60\text{W}\le \text{P}\le 1220\text{W},$$

   

   bevorzugt 100 W ≤ P ≤ 500 W.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) in der Ebene der dem Laserstrahl (2) zugewandten Oberfläche (3) des ersten Werkstücks (W1) einen Fokusdurchmesser FD aufweist, mit $$10\mathrm{\mu }\text{m}\le \text{FD}\le \text{100}\mathrm{\mu }\text{m},$$

   

   bevorzugt 14 µm ≤ FD ≤ 60 µm, besonders bevorzugt 25 µm ≤ FD ≤ 39 µm.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass für eine Breite B des aufgeschmolzenen Materials des ersten Werkstücks (W1) an dessen dem Laserstrahl (2) zugewandter Oberfläche (3), gemessen quer zu einer Verlaufsrichtung (VLR) der Schweißnaht (4), gilt: $$60\mathrm{\mu }\text{m}\le \text{B}\le 600\mathrm{\mu }\text{m},$$

   

   bevorzugt 80 µm ≤ B ≤ 400 µm, besonders bevorzugt 100 µm ≤ B ≤ 200 µm.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: $$\text{D1}\le 250\mathrm{\mu }\text{m und D2}\le 250\mathrm{\mu }\text{m}\text{,}$$

   

   bevorzugt wobei 50 µm ≤ D1 ≤ 200 µm und 50 µm ≤ D2 ≤ 200 µm, besonders bevorzugt 75 µm ≤ D1 ≤ 100 µm und 75 µm ≤ D2 ≤ 100 µm.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: $$50\mathrm{\mu }\text{m}\le \text{EST}\le 600\mathrm{\mu }\text{m},$$

    

    bevorzugt 60 µm ≤ EST ≤ 400 µm, besonders bevorzugt 75 µm ≤ EST ≤ 225 µm.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) mit einer Vorschubgeschwindigkeit v relativ zu den Werkstücken (W1, W2) bewegt wird, mit $$\text{v}\ge 5\text{m/min},$$

    

    bevorzugt v ≥ 10 m/min, insbesondere wobei der Laserstrahl (2) mit einem Laserscanner abgelenkt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkstücke (W1, W2) als gekrümmte Bleche ausgebildet sind, die während des Laserschweißens mit konvex gekrümmten Außenseiten (31, 32) aufeinander gepresst werden, so dass die Bleche in einer Kontaktzone (35) durch elastische Verformung näherungsweise planparallel ausgerichtet sind und aneinander anliegen, wobei der Laserstrahl (2) die beiden Bleche im Bereich dieser Kontaktzone (35) entlang der Schweißnaht (4) verschweißt, insbesondere wobei die beiden gekrümmten Bleche aus Stahl gefertigt sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkstücke (W1, W2) als flexible Metallfolien ausgebildet sind.
14. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Verschweißen von durch die beiden Werkstücke (W1, W2) ausgebildeten elektrischen Leitern und/oder Gasabdichtungen.
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Werkstücke (W1, W2) Bipolarplatten einer Brennstoffzelle sind.

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