DE102021110451A1

DE102021110451A1 - Lasergeschweisste baugruppe mit wärmebeeinflusster zonenverstärkung und verfahren zur herstellung dieser baugruppe

Info

Publication number: DE102021110451A1
Application number: DE102021110451.3A
Authority: DE
Inventors: Nannan Chen; Joshua L. Solomon; Hui-Ping Wang; Zixuan Wan; Blair E. Carlson; Paulina G. Torres Guzman
Original assignee: Penn State Research Foundation; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Penn State Research Foundation; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-03-31
Also published as: US11701738B2; US20220097172A1

Abstract

Eine lasergeschweißte Baugruppe und Verfahren zur Herstellung. Die lasergeschweißte Baugruppe umfasst ein erstes Werkstück mit einer Dicke (T1), die zwischen einer Außenfläche und einer Passfläche definiert ist, ein zweites Werkstück mit einer Dicke (T2), die zwischen einer Außenfläche und einer Passfläche des zweiten Werkstücks definiert ist, eine Schweißnaht mit einer Kernschmelzzone, die sich von der Außenfläche des ersten Werkstücks durch die Passfläche und zumindest teilweise in die Dicke (T2) des zweiten Werkstücks erstreckt; und eine vorstehende Schmelzzone, die sich seitlich von der Kernschmelzzone angrenzend an die Außenfläche des ersten Werkstücks erstreckt. Die vorstehende Schmelzzone kann durch Nachheizen oder gleichzeitig mit der Kernschmelzzone gebildet werden.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine lasergeschweißte Baugruppe, insbesondere auf eine lasergeschweißte Baugruppe mit einer Wärmeeinflusszonenverstärkung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Karosserieteile wie z. B. Seitenverkleidungen, Türbaugruppen, Unterbodenverkleidungen, Sitzrahmen usw. werden in der Regel durch Überlappung von zwei oder mehr Metallverkleidungselementen, auch Metallwerkstücke genannt, zusammengebaut, wobei die überlappenden Teile der Metallverkleidungselemente durch Schmelzschweißen, wie z. B. Widerstandspunkt- und konventionelles Lichtbogenschweißen, verbunden werden. In jüngster Zeit wurde das Laserschweißen als Ersatzverfahren für das herkömmliche Widerstandspunkt- und konventionelle Lichtbogenschweißen eingeführt.
Laserschweißen ist ein Metallverbindungsverfahren, bei dem ein Laserstrahl auf die Oberfläche einer gestapelten oder überlappenden Baugruppe von Metallplattenelementen gerichtet wird, um eine konzentrierte Wärmequelle bereitzustellen, die eine Verbindung beim Zusammenschmelzen der Metallplattenelemente bewirkt. Beim Laserschweißen wird eine Energiequelle mit viel kleinerer Größe und viel höherer Energiedichte als beim konventionellen Lichtbogenschweißen verwendet, so dass eine sehr präzise Schweißstelle entsteht und gleichzeitig eine schmalere Schweißraupe mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Tiefe zu Breite erzeugt wird. Die Schweißraupe wird auch als Schweißnaht bezeichnet.
Die Wärmeeinflusszonen (WEZ) sind jedoch auch in den schmalen Laserschweißnähten vorhanden, wenn auch schmaler als bei einer Lichtbogenschweißung. Die Festigkeit der Lasernaht kann durch die WEZ, die sich während des Laserschweißprozesses unmittelbar neben der Schweißnaht bildet, beeinträchtigt werden. Die WEZ ist ein nicht aufgeschmolzener Bereich des Metalls, der durch die Einwirkung von hohen Temperaturen eine Veränderung der Materialeigenschaften erfahren hat. Durch die hohe Temperatur beim Laserschweißen wird das Metall in unmittelbarer Nähe der Laserschweißraupe vergütet, wodurch sich eine übertemperierte, erweichte WEZ in der Nähe der Laserschweißnaht bildet. Die WEZ schwächt die Verbindungsfestigkeit und die Energieabsorption der überlappenden Teile der Metalltafeln, da sich die WEZ in der Nähe der Kerbwurzel befindet, wo sich die Spannung unter Last konzentriert.
Obwohl das Laserschweißen von überlappenden Teilen von Metallplatten den beabsichtigten Zweck zur Herstellung einer lasergeschweißten Baugruppe erfüllt, besteht ein Bedarf an einer robusteren lasergeschweißten Baugruppe und einem Verfahren zur Herstellung einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer verstärkten WEZ.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten wird eine geschweißte Baugruppe offenbart. Die geschweißte Baugruppe umfasst ein erstes Werkstück mit einer Außenfläche, einer der Außenfläche gegenüberliegenden Passfläche und einer Dicke (T1), die zwischen der Außenfläche und der Passfläche des ersten Werkstücks definiert ist, und ein zweites Werkstück mit einer Außenfläche, einer der Außenfläche gegenüberliegenden Passfläche und einer Dicke (T2), die zwischen der Außenfläche und der Passfläche des zweiten Werkstücks definiert ist, wobei die Passfläche des ersten Werkstücks in anliegendem Kontakt mit der Passfläche des zweiten Werkstücks steht, um eine Passfläche zu definieren. Eine Schweißnaht mit einer Kernschmelzzone erstreckt sich von der Außenfläche des ersten Werkstücks durch die Schmelzgrenzfläche und zumindest teilweise in die Dicke (T2) des zweiten Werkstücks. Eine vorstehende Schmelzzone erstreckt sich seitlich von der Kernschmelzzone angrenzend an die Außenfläche des ersten Werkstücks.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die vorstehende Schmelzzone eine Grenze, die zwischen einem ersten Radius (R1), der an die Außenfläche des ersten Werkstücks angrenzt, und einem zweiten Radius (R2) definiert ist, der sich in der Nähe der Schmelzgrenzfläche befindet. Der erste Radius (R1) und der zweite Radius (R2) erstrecken sich radial von einer Achse entlang der Kernschmelzzone. Der erste Radius (R1) ist größer als der zweite Radius (R2).
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das erste Werkstück eine erweichte Glühzone, die sich an die Begrenzung der vorstehenden Schmelzzone anschließt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die Begrenzung der vorstehenden Schmelzzone ein schalenförmiges Profil, das zwischen dem ersten Radius (R1) und dem zweiten Radius (R2) definiert ist.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert eine Tangente (L), die sich von einem Punkt an der Grenze der vorstehenden Schmelzzone zu der Fugenverbindungsschnittstelle an der Kernschmelzzone erstreckt, einen Winkel (α) von weniger als 90 Grad relativ zu der Fugenverbindungsschnittstelle.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt der Winkel (α) zwischen etwa 15 Grad und etwa 75 Grad.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die vorstehende Schmelzzone durch Nacherwärmung des ersten Werkstücks gebildet, indem ein Laser auf die Außenfläche des ersten Werkstücks entlang eines vorbestimmten seitlichen Abschnitts der Kernschmelzzone gerichtet wird.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die überstehende Schmelzzone gleichzeitig mit der Kernschmelzzone hergestellt, indem ein defokussierter Laser auf die Außenfläche des ersten Werkstücks gerichtet wird.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung erstreckt sich die vorstehende Schmelzzone seitlich von der Kernschmelzzone von der Außenfläche des ersten Werkstücks bis in die Nähe der Schmelzfläche des ersten Werkstücks innerhalb der ersten Dicke (T1) des ersten Werkstücks.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Schweißnaht eine Laserschweißnaht.
Gemäß mehreren Aspekten wird ein Verfahren zur Herstellung einer lasergeschweißten Baugruppe offenbart. Das Verfahren umfasst das Anordnen eines ersten Werkstücks und eines zweiten Werkstücks in der Weise, dass eine Passfläche des ersten Werkstücks in anliegendem Kontakt mit einer Passfläche des zweiten Werkstücks steht; das Richten eines Laserstrahls, der ein Schweißprogramm auf eine Außenfläche des ersten Werkstücks anwendet, das wirksam ist, um eine Laserschweißnaht mit einer Kernschmelzzone zu bilden, die sich durch das erste Werkstück und zumindest teilweise in das zweite Werkstück erstreckt, um das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück zu verschmelzen; und Richten des Laserstrahls unter Anwendung eines Nacherwärmungsplans auf die Außenfläche des ersten Werkstücks unmittelbar seitlich der Laserschweißnaht, um eine hervorstehende Schmelzzone zu bilden, die sich von der Kernschmelzzone aus erstreckt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Laser, der den Nacherwärmungsplan anwendet, wirksam, um eine hervorstehende Schmelzzone mit einer Begrenzung zu bilden, die ein schalenförmiges Profil definiert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Nachheizplan wirksam, um eine erweichte Glühzone innerhalb einer Dicke (T1) des ersten Werkstücks zu bilden. Die weichgeglühte Zone grenzt an die Kontur der Begrenzung der vorstehenden Schmelzzone an und folgt dieser.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird der Schritt der Anwendung des Nachheizplans unmittelbar nach dem Richten des Laserstrahls mit dem Schweißplan vor einer Verfestigung der Kernschmelzzone durchgeführt.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Laserstrahl ein defokussierter Laserstrahl.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der defokussierte Laserstrahl einen Radius, der mindestens der ersten Dicke (T1) des ersten Werkstücks entspricht.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält der defokussierte Laserstrahl eine Schwingungsamplitude, die mindestens der ersten Dicke (T1) des ersten Werkstücks entspricht.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung, wenn das Richten des Laserstrahls Anwendung der Nacherwärmung Zeitplan bildet eine Oberfläche Nut zwischen der Kernschmelzzone und vorstehenden Schmelzzone, dann richten Sie den Laserstrahl näher an den Kernschmelzzone.
Gemäß mehreren Aspekten, eine lasergeschweißte Kraftfahrzeugstrukturkomponente mit: ein erstes Werkstück mit einer Außenfläche, einer der Außenfläche gegenüberliegenden Fügefläche und einer Dicke (T1), die zwischen der Außenfläche und der Fügefläche des ersten Werkstücks definiert ist; ein zweites Werkstück mit einer Außenfläche, einer der Außenfläche gegenüberliegenden Fügefläche und einer Dicke (T2), die zwischen der Außenfläche und der Fügefläche des zweiten Werkstücks definiert ist, wobei die Fügefläche des ersten Werkstücks in anliegendem Kontakt mit dem zweiten Werkstück steht, um eine Fügegrenzfläche zu definieren; eine Schweißnaht mit einer Kernschmelzzone, die sich von der Außenfläche des ersten Werkstücks durch die Fügegrenzfläche und zumindest teilweise in die Dicke (T2) des zweiten Werkstücks erstreckt; und eine vorstehende Schmelzzone, die sich seitlich von der Kernschmelzzone angrenzend an die Außenfläche des ersten Werkstücks erstreckt. Die Schweißnaht definiert eine längliche C-Form. Die vorstehende Schmelzzone befindet sich in der Nähe eines vorbestimmten Abschnitts der länglichen C-Form.
In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die vorstehende Schmelzzone eine Grenze, die zwischen einem ersten Radius (R1) angrenzend an die äußere Oberfläche des ersten Werkstücks und einem zweiten Radius (R2) proximal zu der Schmelzgrenzfläche definiert ist, wobei eine Grenze, die zwischen dem ersten Radius (R1) und dem zweiten Radius (R2) definiert ist, ein schalenförmiges Profil definiert.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorliegenden Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine schematische Draufsicht auf eine lasergeschweißte Baugruppe mit einer Verstärkung der Wärmeeinflusszone (WEZ) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht der lasergeschweißten Baugruppe von 1 über die Schnittlinie 2-2, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
3 ist ein Schliffbild eines Querschnittsbereichs einer herkömmlichen lasergeschweißten Baugruppe;
4 ist ein Schliffbild eines Querschnittsbereichs einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer HAZ-Verstärkung, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5 ist ein Schliffbild eines Querschnittsbereichs einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer Oberflächennut neben der HAZ-Verstärkung;
6 ist ein Schliffbild eines Querschnittsbereichs einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer HAZ-Verstärkung, nachdem sie einem Überlappungsschertest unterzogen wurde;
7 ist ein Diagramm, in dem die Ergebnisse eines Überlappungsschertests einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer HAZ-Verstärkung mit denen einer herkömmlichen lasergeschweißten Baugruppe verglichen werden;
8 ist ein Schliffbild eines Querschnittsbereichs einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer HAZ-Verstärkung, nachdem sie einem Coach-Peel-Test unterzogen wurde;
9 ist ein Diagramm, in dem die Ergebnisse eines Coach-Peel-Tests einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer HAZ-Verstärkung mit einer herkömmlichen lasergeschweißten Baugruppe verglichen werden;
10 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lasergeschweißten Baugruppe, die einer Nacherwärmung zur Herstellung der HAZ-Verstärkung unterzogen wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
11 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lasergeschweißten Baugruppe, die einen defokussierten Laser zum gleichzeitigen Laserschweißen und Herstellen der WEZ-Verstärkung verwendet, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
12 ist ein Schliffbild einer Querschnittsansicht einer lasergeschweißten Baugruppe, die einen defokussierten Laser zum gleichzeitigen Schweißen und Herstellen der HAZ-Verstärkung verwendet, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
13 ist ein Blockflussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer lasergeschweißten Baugruppe mit einer HAZ-Verstärkung zeigt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Die dargestellten Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Figuren offenbart, wobei gleiche Bezugsziffern auf gleiche, korrespondierende Teile in den verschiedenen Figuren hinweisen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, und einige Merkmale können übertrieben dargestellt oder minimiert sein, um die Details bestimmter Merkmale zu zeigen. Die spezifischen strukturellen und funktionellen Details, die offengelegt werden, sollen nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern als repräsentative Grundlage, um einem Fachmann zu zeigen, wie die offenbarten Konzepte in der Praxis umgesetzt werden können.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine lasergeschweißte Baugruppe 100 mit einem ersten Werkstück 102 in überlappendem Kontakt mit einem zweiten Werkstück 104 und einer Laserschweißung 106 in einem überlappenden Bereich 108, der das erste Werkstück 102 mit dem zweiten Werkstück 104 verbindet. Die ersten und zweiten Werkstücke 102 und 104 können aus einer Vielzahl von Stählen bestehen, einschließlich eines kohlenstoffarmen Stahls (auch als Baustahl bezeichnet), eines interstitiell-freien (IF) Stahls, eines hochfesten niedrig legierten Stahls (HSLA) oder eines hochfesten Stahls (AHSS). Die ersten und zweiten Werkstücke 102 und 104 können auch aus anderen Metallen wie Aluminium, Kupfer usw. bestehen, die sich zum Laserschweißen eignen.
Die Laserschweißnaht 106, die auch als Schweißraupe 106 oder Schweißnaht 106 bezeichnet wird, wird gebildet, indem ein Laserstrahl durch ein vorbestimmtes Muster über einen Teil eines überlappenden Bereichs 108 des ersten Werkstücks 102 und des zweiten Werkstücks 104 gerichtet wird. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das vorbestimmte Muster der Laserschweißnaht 106 als eine längliche C-Form dargestellt.
Die längliche C-Form umfasst einen ersten gekrümmten Endabschnitt 106a, einen mittleren linearen Abschnitt 106b und einen zweiten gekrümmten Endabschnitt 106c. Die Laserschweißnaht 106 enthält eine Wärmeeinflusszone (WEZ) Verstärkung 110 auf mindestens einer Seite der Schweißnaht 106. Die HAZ-Verstärkung 110 wird im Folgenden detailliert beschrieben.
Das erste Werkstück 102 und das zweite Werkstück 104 können Metallunterbaugruppen darstellen, die in eine Strukturbaugruppe 100 für ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) eingepasst und zusammengefügt werden. Bei der Baugruppe 100 kann es sich zum Beispiel um eine Fahrzeugtürbaugruppe handeln, bei der das erste Werkstück 102 ein inneres Türblech und das zweite Werkstück 104 ein äußeres Türblech darstellt. Die innere und äußere Türverkleidung sind relativ zueinander angeordnet und gestapelt. Die überlappenden Bereiche der Paneele werden durch eine Vielzahl von Laserschweißnähten zu einer fertigen Fahrzeugtürbaugruppe verbunden. Die gefügten, überlappenden Bereiche benötigen eine ausreichende Festigkeit und Haltbarkeit, um den Belastungen aus dem normalen Fahrzeugbetrieb standzuhalten. In ausgewählte Bereiche der Laserschweißnaht 106 werden HAZ-Verstärkungen 110 eingearbeitet, um die Festigkeit und Haltbarkeit der Laserschweißnaht beim Fügen der Bleche zu verbessern. Für Fahrzeugstrukturbauteile ist es vorteilhaft, dass das erste und zweite Werkstück 102, 104 aus einer Stahllegierung mit einer Zugfestigkeit von 980 MPa oder mehr gebildet wird.
2 zeigt eine Querschnittsansicht der lasergeschweißten Baugruppe 100 aus 1 über eine Schnittlinie 2-2, die senkrecht zur Schweißnaht 106 verläuft. Das erste Werkstück 102 weist eine Außenfläche 112, eine der Außenfläche 112 gegenüberliegende Passfläche 114 und eine zwischen der Außenfläche 112 und der Passfläche 114 definierte Dicke (T1) auf. In ähnlicher Weise umfasst das zweite Werkstück 104 eine Außenfläche 116, eine Passfläche 118 gegenüber der Außenfläche 116 und eine Dicke (T2), die zwischen der Außenfläche 116 und der Passfläche 118 definiert ist. Das erste Werkstück 102 und das zweite Werkstück 104 sind so angeordnet und zusammengebaut, dass die Anlegefläche 114 des ersten Werkstücks 102 in anliegendem Kontakt mit der Anlegefläche 118 des zweiten Werkstücks 104 steht, um eine überlappende Verbindungsschnittstelle 120 zu bilden, die auch als Anlegefläche 120 bezeichnet wird.
Die Laserschweißung umfasst eine Kernschmelzzone 122, die sich entlang einer A-Achse von der Außenfläche 112 des ersten Werkstücks 102 durch die überlappende Verbindungsschnittstelle 120 und zumindest teilweise in das zweite Werkstück 104 erstreckt. In der gezeigten Ausführungsform dringt die Kernschmelzzone 122 in das zweite Werkstück 104 proximal zur Außenfläche 116 des zweiten Werkstücks 104 ein. In einer anderen Ausführungsform kann die Schmelzzone durch die gesamte Dicke (T2) des zweiten Werkstücks 104 bis zur Außenfläche 116 des zweiten Werkstücks 104 eindringen.
Die Kernschmelzzone 122 wird durch Fokussieren, Richten und Führen eines Laserstrahls durch ein vorgegebenes Muster auf die Außenfläche 112 des ersten Werkstücks 102 gebildet. Ein beispielhaftes vorgegebenes Muster ist die in 1 dargestellte längliche C-Form. Der Laserstrahl erzeugt ausreichend Wärme, um einen Teil des ersten Werkstücks 102 und einen Teil des zweiten Werkstücks 104 zu schmelzen. Die geschmolzenen Teile der Werkstücke kühlen schnell ab und verfestigen sich zu einer Spur von wieder erstarrtem Material, das die Kernschmelzzone 122 definiert, wodurch das erste Werkstück 102 und das zweite Werkstück 104 an der überlappenden Verbindungsschnittstelle 120 miteinander verschmelzen.
Wie in 2 gezeigt, enthält die lasergeschweißte Baugruppe 100 eine WEZ-Verstärkung 124 in Form einer seitlich vorstehenden Schmelzzone 124, die sich von mindestens einer Seite der A-Achse der Laserschweißnaht 106 erstreckt. Die seitlich vorstehende Schmelzzone 124 wird durch Nacherwärmung mit einem Laserstrahl unmittelbar nach der Bildung der Laserschweißnaht 106 gebildet. Alternativ wird die seitlich überstehende Schmelzzone 124 gleichzeitig mit der Laserschweißnaht 106 mit einem defokussierten Laserstrahl gebildet. Die Nacherwärmung mit dem Laserstrahl und/oder die Verwendung eines defokussierten Laserstrahls bei der Ausbildung der seitlich überstehenden Schmelzzone 124 wirkt sich auf die WEZ in einer Weise aus, die die Verbindungsstelle 120 verstärkt, was im Folgenden näher erläutert wird.
Die seitlich vorstehende Schmelzzone 124 umfasst einen ersten Radius (R1) und einen zweiten Radius (R2), die sich von der A-Achse aus erstrecken. Der erste Radius befindet sich unmittelbar neben der Außenfläche 112 des ersten Werkstücks 102 und der zweite Radius befindet sich in der Nähe der überlappenden Verbindungsschnittstelle 120. Die seitlich vorstehende Schmelzzone 124 kann sich so verjüngen, dass der erste Radius größer ist als der zweite Radius. Mit anderen Worten, die seitlich vorstehende Schmelzzone 124 verjüngt sich von breit zu schmal in Richtung der Verbindungsschnittstelle 120. In einer Ausführungsform definiert die seitlich vorstehende Schmelzzone 124 eine sich verjüngende lineare Begrenzung. In einer anderen Ausführungsform definiert die seitlich vorstehende Schmelzzone 124 eine gekrümmte Begrenzung, wie z. B. die eines Querschnittsprofils einer Schale. Es ist bevorzugt, dass der erste Radius gleich oder im Wesentlichen gleich der Dicke (T1) des ersten Werkstücks 102 ist. Eine Tangente (L), die sich von einem Punkt auf der Begrenzung der seitlich vorstehenden Schmelzzone 124 zur Kernschmelzzone 122 an der Verbindungsschnittstelle 120 erstreckt, definiert einen Winkel (α) von weniger als 90 Grad relativ zur Verbindungsschnittstelle 120, vorzugsweise zwischen etwa 15 bis 75 Grad.
3 ist eine Mikrografik einer lasergeschweißten Baugruppe 200, die einen dargestellten Querschnittsbereich senkrecht zur Laserschweißnaht 206 zeigt. Die Laserschweißnaht 206 umfasst eine Kernschmelzzone 222, die sich entlang einer A'-Achse erstreckt und das erste Werkstück 202 und das zweite Werkstück 204 durch die Verbindungsschnittstelle 220 durchdringt, wodurch das erste Werkstück 202 mit dem zweiten Werkstück 204 verschmolzen wird. Die seitliche Begrenzung 248 der Kernschmelzzone 222 verläuft im Wesentlichen parallel zur A'-Achse. Unmittelbar angrenzend an die Grenze der Kernschmelzzone 222 befindet sich eine Wärmeeinflusszone (WEZ), die eine gehärtete Zone 250 unmittelbar angrenzend an die Schmelzzone und eine äußere, weichgeglühte Zone 252 umfasst. Die gehärtete Zone 250 enthält eine Matrix aus feinen und groben Kornstrukturen mit einer Härte von 400 bis 500 HV und die geglühte Zone 252 enthält eine interkritische (IC) und eine subkritische (SC) Wärmeeinflusszone mit einer Härte von 200 bis 300 HV. Sowohl die gehärtete als auch die geglühte Zone 250, 252 erstrecken sich in der gleichen allgemeinen Richtung wie die A'-Achse. Der Härteabfall in der geglühten Zone 252 ist eine potenzielle Schwachstelle in der lasergeschweißten Baugruppe 200, die zu einem potenziellen vorzeitigen Bruch und einer Festigkeitsschwächung führt, wenn die lasergeschweißte Baugruppe 200 hohen Spannungs- und/oder Dehnungskräften ausgesetzt ist.
4 ist eine Mikrografik einer lasergeschweißten Baugruppe 300, die einen dargestellten Querschnittsbereich senkrecht zur Laserschweißnaht 306 zeigt. Die Laserschweißnaht 306 umfasst eine Kernschmelzzone 322, die sich entlang einer A-Achse erstreckt und das erste Werkstück 302 und das zweite Werkstück 304 durch die Verbindungsschnittstelle 320 durchdringt, wodurch das erste Werkstück 302 mit dem zweiten Werkstück 304 verschmolzen wird. Die Schmelzzone umfasst eine seitlich vorstehende Schmelzzone 324, die eine gekrümmte Schmelzgrenze oberhalb eines Kerbwurzelbereichs 354 umfasst. Die seitlich vorstehende Schmelzzone 324 verändert die Profile der wärmebeeinflussten gehärteten Zone 350 und der geglühten Zone 352, die auch als erweichte Zone 352 bezeichnet wird, wodurch die gehärtete Zone 350 und die erweichte Zone 352 weiter vom Kerbgrundbereich 354 entfernt werden. Der veränderte, langgestreckte Weg der Erweichungszone 352 verzögert die Rissauslösung, wenn das Werkstück 300 einer übermäßigen Spannung und/oder Dehnung ausgesetzt ist. Wenn ein Riss initiiert wird, ist der Ausbreitungspfad des Risses entlang der geänderten langgestreckten Kurve der geglühten, erweichten Zone 352 gerichtet. Die verzögerte Risseinleitung und der verlängerte Rissausbreitungsweg führen zu einer höheren Festigkeit der Verbindung und einer größeren Energieaufnahme der lasergeschweißten Baugruppe 300.
5 ist ein Schliffbild einer lasergeschweißten Baugruppe 400 und zeigt einen dargestellten Querschnittsbereich senkrecht zur Laserschweißnaht 406. Die Schmelzzone umfasst eine seitlich vorstehende Schmelzzone 424, die eine gekrümmte Schmelzgrenze oberhalb des Kerbwurzelbereichs 454 umfasst. Die Außenfläche 412 der lasergeschweißten Baugruppe 400 enthält jedoch eine Oberflächenrille 460, die zwischen der Oberfläche der seitlich vorstehenden Schmelzzone 424 und der Oberfläche der Kernschmelzzone 422 definiert ist. Die Oberflächenrille 460 ist nicht erwünscht und kann die lasergeschweißte Baugruppe 400 schwächen, wenn übermäßige Spannungs-/Dehnungskräfte aufgebracht werden.
6 ist ein Schliffbild einer lasergeschweißten Baugruppe 500 und zeigt einen dargestellten Querschnittsbereich senkrecht zur Laserschweißnaht 506. Die lasergeschweißte Baugruppe 500 wurde einem Überlappungsschertest unterzogen, bei dem entgegengesetzte Scherkräfte F auf das erste Werkstück 502 und das zweite Werkstück 504 ausgeübt wurden, bis die strukturelle Integrität der lasergeschweißten Baugruppe 500 versagte.
6 zeigt das Versagen entlang der wärmebeeinflussten Glühzone 552, die der gekrümmten Begrenzung der seitlich vorstehenden Schmelzzone 524 folgt. Im Vergleich zum Ergebnis desselben Tests, der an der herkömmlichen lasergeschweißten Baugruppe 200 aus 3 durchgeführt wurde, hält die lasergeschweißte Baugruppe 500 aus 6 einer größeren Scherspannungsbelastung stand, bevor sie versagt.
7 ist ein Diagramm 580 (Last (N) vs. Verschiebung (mm)), das die Ergebnisse eines Überlappungsschertests an der lasergeschweißten Baugruppe 200 aus 3 (als gestrichelte Linie dargestellt) im Vergleich zu einer lasergeschweißten Baugruppe 300 aus 4 (als durchgezogene Linie dargestellt) zeigt. Die lasergeschweißte Baugruppe 200 aus 3 wurde vor dem Versagen einer Spitzenlast von 45,2 kN und einer Energieaufnahme von 40,1 J ausgesetzt. Die lasergeschweißte Baugruppe 300 aus 4 wurde vor dem Versagen einer Spitzenlast von 47,7 kN und einer Energieaufnahme von 65,7J ausgesetzt.
8 ist ein Schliffbild einer lasergeschweißten Baugruppe 600, das eine Querschnittsfläche senkrecht zur Laserschweißnaht 606 zeigt. Die lasergeschweißte Baugruppe 600 wurde einem Coach-Peel-Test unterzogen, bei dem entgegengesetzte Kräfte F senkrecht zu den Außenflächen 612, 616 des ersten Werkstücks 602 bzw. des zweiten Werkstücks 604 aufgebracht wurden, bis die strukturelle Integrität der Baugruppe 600 versagte. 8 zeigt das Versagen entlang der wärmebeeinflussten Glühzone 654, die der gekrümmten Begrenzung der seitlich vorstehenden Schmelzzone 624 folgte. Im Vergleich zum Ergebnis desselben Tests, der an der lasergeschweißten Baugruppe 200 aus 3 durchgeführt wurde, hält die lasergeschweißte Baugruppe 600 aus 8 einer größeren Scherspannungsbelastung stand, bevor sie versagt.
9 ist ein Diagramm 680, das die Ergebnisse des Coach-Peel-Tests an der lasergeschweißten Baugruppe 200 aus 3 (als gestrichelte Linie dargestellt) im Vergleich zu der lasergeschweißten Baugruppe 300 aus 4 (als durchgezogene Linie dargestellt) zeigt. Die lasergeschweißte Baugruppe 200 aus 3 wurde vor dem Versagen einer Spitzenlast von 4,78 kN und einer Energieaufnahme von 104,4 J ausgesetzt. Die lasergeschweißte Baugruppe 300 aus 4 wurde vor dem Versagen einer Spitzenlast von 5,87 kN und einer Energieaufnahme von 137,6 J ausgesetzt.
10 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lasergeschweißten Baugruppe 100A, die einer Nacherwärmung unter Verwendung eines Laserstrahls 190A zur Bildung der seitlich vorstehenden Schmelzzone 124A unterzogen wird. 11 ist eine schematische Querschnittsansicht einer lasergeschweißten Baugruppe 100B unter Verwendung eines defokussierten Lasers 190B zur gleichzeitigen Ausbildung der Kernschmelzzone 122B und der seitlich vorstehenden Schmelzzone 124B. 12 ist ein Schliffbild einer Querschnittsansicht einer lasergeschweißten Baugruppe 100B unter Verwendung des defokussierten Lasers 190B zur gleichzeitigen Ausbildung der Kernschmelzzone 116B und der seitlich vorstehenden Schmelzzone 124B. 13 zeigt ein Blockflussdiagramm 700 für ein Verfahren zur Herstellung einer lasergeschweißten Baugruppe 100 mit einer Wärmeeinflusszonen-Verstärkung einschließlich einer seitlich vorstehenden Schmelzzone 124.
Bezug nehmend auf 10 und 13 beginnt das Verfahren in Block 702 mit der Bereitstellung eines ersten Metallwerkstücks 102A und eines zweiten Metallwerkstücks 104A. Das erste Werkstück 102A umfasst eine Außenfläche 112A, eine der Außenfläche 112A gegenüberliegende Passfläche 114A und eine zwischen der Außenfläche 112A und der Passfläche 114A des ersten Werkstücks 102A definierte Dicke (T1). In ähnlicher Weise umfasst das zweite Werkstück 104A eine Außenfläche 116A, eine Passfläche 118A gegenüber der Außenfläche 116A und eine Dicke (T2), die zwischen der Außenfläche 116A und der Passfläche 118A des zweiten Werkstücks 104A definiert ist. Die Werkstücke 102A, 104A sind so angeordnet und gestapelt, dass die Passfläche 114A des ersten Werkstücks 102A mit der Passfläche 118A des zweiten Werkstücks 104A in Kontakt ist.
In Block 704 wird ein Laserstrahl auf die Außenfläche 112A des ersten Werkstücks 102A gerichtet und durch ein vorgegebenes Muster geführt, um eine Schweißnaht 106A zu bilden. Der Laserstrahl 190A wird auf einen ersten vorbestimmten Schweißplan eingestellt, der eine Stärke und Geschwindigkeit aufweist, die ausreicht, um durch die erste Dicke (T1), die Verbindungsschnittstelle 120A (auch als Fugenschnittstelle 120A bezeichnet) und zumindest teilweise in die zweite Dicke (T2) einzudringen, um eine Laserschweißnaht 106A mit einer Kernschmelzzone 122A zu erzeugen, die die Werkstücke 102A, 104A verbindet.
Ein beispielhafter Schweißplan sieht wie folgt aus:

Laserleistung: 5,5 kW;
Geschwindigkeit: 350 mm/s;
Wobbeltyp: Zickzack;
Breite/Amplitude des Wobblers: 0,8 mm; und
Abstand/Periodenlänge des Taumels: 0,15 mm.

In Block 706, unmittelbar nach der Bildung der Laserschweißnaht 106A in Block 704, wird der Laserstrahl 190A auf die Außenfläche 112A des ersten Werkstücks 102A entlang eines vorbestimmten seitlichen Abschnitts der Laserschweißnaht 106A gerichtet. Dieser Schritt wird auch als Nachheizen bezeichnet. Der vorbestimmte seitliche Abschnitt der Laserschweißnaht 106A ist vorzugsweise der kritische lasttragende Abschnitt der Laserschweißnaht 106A, der aufgrund übermäßiger Spannungs- und/oder Dehnungskräfte anfällig für Risse oder Brüche sein kann. Bei der in 1 dargestellten C-förmigen Laserschweißnaht 106 kann der vorbestimmte seitliche Abschnitt beispielsweise die rechte Seite des linearen Segments 106b, die linke Seite des linearen Segments 106b, die Außenseite des ersten gekrümmten Endabschnitts 106a und/oder die Außenseite des zweiten gekrümmten Endabschnitts 106c umfassen.
Der Schweißlaserstrahl 190A wird auf einen zweiten Schweißplan eingestellt, der eine vorbestimmte Stärke und Geschwindigkeit hat, die ausreicht, um in einen Teil der ersten Dicke (TIA) nahe der Verbindungsschnittstelle 120 einzudringen, um das Material dort hindurch zu schmelzen und eine seitlich vorstehende Schmelzzone 124 zu bewirken, die eine sich verjüngende oder gekrümmte Begrenzung hat, die sich von der Kernschmelzzone 122 aus erstreckt. Die Stärke des Schweißlaserstrahls ist so begrenzt, dass nicht genügend Wärme in das zweite Werkstück 104A eindringt, um ein geschmolzenes Material in der zweiten Dicke (T2) des zweiten Werkstücks 104A zu bilden. Ein beispielhafter Laserschweißplan für das Nachwärmen sieht wie folgt aus:

Laserleistung: 2 kW;
Geschwindigkeit: 200 mm/s; und
Defokus: 15 mm.

Es sollte ein geeigneter Nachheizplan angewendet werden, um die Bildung einer Rille auf der Oberfläche des ersten Werkstücks 102A zwischen der primären Schmelzzone und der seitlich überstehenden Schmelzzone 124A zu vermeiden. Wenn eine Oberflächennut entsteht, wird der Schweißlaserstrahl näher an die Laserschweißnaht 106A gerichtet und der Laserstrahl 190A kann gegebenenfalls defokussiert werden. Anstelle des Laserstrahls 190A können auch alternative Wärmequellen wie z. B. ein Elektronenstrahl verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 11 können alternativ die Blöcke 704 und 706 in einem Schritt kombiniert werden, indem ein defokussierter Laserstrahl 190B mit einer vorbestimmten Stärke und Geschwindigkeit gerichtet wird, die ausreicht, um durch die erste Dicke (T1B), die Verbindungsschnittstelle 120B und zumindest teilweise in die zweite Dicke (T2B) einzudringen, um eine Laserschweißnaht 106 mit einer Kernschmelzzone 122B und einer seitlich vorstehenden Schmelzzone 124B in der ersten Dicke (T1B) zu erzeugen. Vorzugsweise ist der defokussierte Laserstrahlradius mindestens so groß wie die erste Dicke (T1) des ersten Werkstücks 102, wenn keine Strahloszillation verwendet wird. Andernfalls ist es bevorzugt, dass die Oszillationsamplitude mindestens der ersten Dicke (T1) des ersten Werkstücks 102 entspricht.
In Block 708 wird die lasergeschweißte Baugruppe abkühlen gelassen und die Kernschmelzzone 122A, 122b erstarrt, wodurch das erste Werkstück 102A, 102b mit dem zweiten Werkstück 104A, 104B verschmolzen wird. Die seitlich vorstehende Schmelzzone 124A, 124B verändert die Profile der geglühten Zone 152A, 152B, indem sie sich weiter vom Kerbwurzelbereich 154A, A154B entfernt, wie in 10 und 11 gezeigt.
Das Verfahren stellt eine lasergeschweißte Baugruppe bereit, die eine seitlich vorstehende Schmelzzone aufweist, die eine gekrümmte Schmelzzonenbegrenzung über dem Kerbwurzelbereich der Baugruppe definiert. Die gekrümmte Schmelzzonenbegrenzung verändert das Profil der Erweichungszone 352, indem sie die Erweichungszone 352 weiter vom Kerbwurzelbereich 354 wegbewegt. Die veränderte Erweichungszone 352 folgt der länglichen, gekrümmten Begrenzung der vorstehenden Schmelzzone. Wenn ein Riss aufgrund von übermäßiger Spannung oder Beanspruchung der lasergeschweißten Baugruppe initiiert wird, ist der Ausbreitungspfad des Risses entlang des Pfades der geänderten, langgestreckten, gekrümmten, erweichten Zone 352 gerichtet. Der verlängerte Rissausbreitungsweg führt zu einer höheren Festigkeit der Verbindung und einer größeren Energieaufnahme der lasergeschweißten Baugruppe 300.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Eine geschweißte Baugruppe, umfassend, ein erstes Werkstück mit einer Außenfläche, einer der Außenfläche gegenüberliegenden Anlegefläche und einer zwischen der Außenfläche und der Anlegefläche des ersten Werkstücks definierten Dicke, T1; ein zweites Werkstück mit einer Außenfläche, einer der Außenfläche gegenüberliegenden Anlegefläche und einer zwischen der Außenfläche und der Anlegefläche des zweiten Werkstücks definierten Dicke, T2, wobei die Anlegefläche des ersten Werkstücks in anliegendem Kontakt mit der Anlegefläche des zweiten Werkstücks steht, um eine Anlegefläche zu definieren; eine Schweißnaht mit einer Kernschmelzzone, die sich von der Außenfläche des ersten Werkstücks durch die Schmelzgrenzfläche und zumindest teilweise in die Dicke, T2, des zweiten Werkstücks erstreckt; und eine vorstehende Schmelzzone, die sich seitlich von der Kernschmelzzone angrenzend an die Außenfläche des ersten Werkstücks erstreckt.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die vorstehende Schmelzzone eine Grenze umfasst, die zwischen einem ersten Radius, R1, benachbart zu der äußeren Oberfläche des ersten Werkstücks und einem zweiten Radius, R2, proximal zu der Schmelzgrenzfläche definiert ist, wobei sich der erste Radius, R1, und der zweite Radius, R2, radial von einer Achse entlang der Kernschmelzzone erstrecken und wobei der erste Radius, R1, größer als der zweite Radius, R2, ist.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 2, wobei das erste Werkstück eine erweichte Glühzone aufweist, die der Begrenzung der vorstehenden Schmelzzone folgt.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 3, wobei die Begrenzung der vorstehenden Schmelzzone ein schalenförmiges Profil aufweist, das zwischen dem ersten Radius, R1, und dem zweiten Radius, R2, definiert ist.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 4, bei der eine Tangente, L, die sich von einem Punkt an der Grenze der vorstehenden Schmelzzone zu der Schmelzgrenzfläche an der Kernschmelzzone erstreckt, einen Winkel α von weniger als 90 Grad relativ zu der Schmelzgrenzfläche definiert.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 5, wobei der Winkel α zwischen etwa 15 Grad und etwa 75 Grad liegt.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die vorstehende Schmelzzone durch Nacherwärmung des ersten Werkstücks gebildet wird, indem ein Laser auf die Außenfläche des ersten Werkstücks entlang eines vorbestimmten seitlichen Abschnitts der Kernschmelzzone gerichtet wird.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die vorstehende Schmelzzone gleichzeitig mit der Kernschmelzzone gebildet wird, indem ein defokussierter Laser auf die Außenfläche des ersten Werkstücks gerichtet wird.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 1, wobei sich die vorstehende Schmelzzone seitlich von der Kernschmelzzone von der Außenfläche des ersten Werkstücks bis in die Nähe der Schmelzfläche des ersten Werkstücks innerhalb der Dicke, T1, des ersten Werkstücks erstreckt.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Schweißnaht eine Laserschweißnaht ist.