DE102021113430A1

DE102021113430A1 - Verfahren zum Laserstrahltiefschweißen

Info

Publication number: DE102021113430A1
Application number: DE102021113430.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Böhm; Markus Gretzer; Jan-Philipp Weberpals
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-01-20
Also published as: CN117203016A; US20240165742A1; EP4347170A1; WO2022248128A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahltiefschweißen zumindest zweier Fügepartner (1, 3), bei dem eine Laserstrahlvorrichtung einen Laserstrahl (10) mit einem Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) erzeugt, der mit einer Vorschubgeschwindigkeit (v) entlang einer Fügestelle bewegt wird, wobei der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) im Fügepartner-Werkstoff eine Dampfkapillare (15) erzeugt, die von einem Schmelzbad (17) umgeben ist und die sich mit dem Laserstrahl (10) in Schweißrichtung durch den Fügepartner-Werkstoff bewegt, und zwar unter Bildung einer Kapillarumströmung (18), bei der eine an der Kapillarfront (19) befindliche Metallschmelze über beidseitig der Dampfkapillare (15) gebildete Schmelzbadkanäle (21) in Richtung Kapillarrückseite (23) strömt und dort erstarrt. Erfindungsgemäß ist dem Laserstrahl (10) zusätzlich zumindest ein Aufschmelz-Laserstrahlanteil (13) zugeordnet, mittels dem die Breite (b), das heißt der Strömungsquerschnitt, der Schmelzbadkanäle (21) erhöht wird, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit der die Schmelzbadkanäle (21) durchströmenden Metallschmelze reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahltiefschweißen zumindest zweier Fügepartner nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle kann aus zwei Metallfolien (zum Beispiel Stahlfolien) sehr dünner Materialstärke im Bereich von 75 µm hergestellt werden. Die beiden Metallfolien können über ein Laserstrahltiefschweißen miteinander verschweißt werden. Dabei können sich sehr lange Schweißnähte von mehreren Metern ergeben.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren erzeugt eine Laserstrahlvorrichtung einen Laserstrahl, der einen Tiefschweiß-Laserstrahlanteil aufweist. Der Laserstrahl bewegt sich mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Fügestelle. Dabei erzeugt der Laserstrahl im Fügepartner-Werkstoff eine Dampfkapillare, die von einem Schmelzbad umgeben ist. Die Dampfkapillare bewegt sich zusammen mit dem Laserstrahl in Schweißrichtung durch den Fügepartner-Werkstoff. Dies erfolgt unter Bildung einer Kapillarumströmung, bei der eine an der Kapillarfront befindliche Metallschmelze über beidseitig der Dampfkapillare gebildete Schmelzbadkanäle in Richtung Kapillarrückseite strömt und dort erstarrt.
Bei Erreichen einer kritischen Vorschubgeschwindigkeit treten im Stand der Technik in Abhängigkeit weiterer Prozessparameter sowie der physikalischen und geometrischen Materialeigenschaften periodische Unregelmäßigkeiten auf der Schweißnahtoberfläche auf. Dieser Effekt wird als Humping bezeichnet, da er eine Struktur von Perlen bzw. kleinen Material-Anhäufungen einnimmt. Eine solche Schweißnahttopographie ergibt zwischen den einzelnen Materialanhäufungen Materialdefizite, die partiell zu einer Schwächung der Schweißverbindung und damit zu einer höheren Wahrscheinlichkeit einer Undichtigkeit zwischen den beiden Fügepartnern führen.
Die oben erwähnte kritische Vorschubgeschwindigkeit, ab der der Humping-Effekt eintritt, stellt daher eine Prozessbeschränkung dar. Beispielhaft führt im Stand der Technik eine Vorschubgeschwindigkeit beim Laserstrahltiefschweißen von dünnen Stahlfolien (Dicke bei zum Beispiel 75 µm) im Bereich von 1000 mm/s zu dem oben beschriebenen Humping-Effekt in der Schweißnaht. Eine weitere Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit resultiert in einer unregelmäßigen Schweißnahttopographie.
Aus der DE 197 51 195 C1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Schweißen mittels Laserstrahlung bekannt. Aus der DE 10 2007 046 074 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Laserbearbeitung bekannt. Aus der DE 10 2019 210 019 ist eine optische Apparatur zum Laserschweißen eines Werkstückes bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Laserstrahltiefschweißen zumindest zweier Fügepartner bereitzustellen, bei dem trotz hoher Prozessgeschwindigkeit das Auftreten des Humping-Effekts in der Schweißnaht prozesssicher vermieden werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Laserstrahltiefschweißen zumindest zweier Fügepartner aus. In dem Verfahren erzeugt eine Laserstrahlvorrichtung einen Laserstrahl mit Tiefschweiß-Laserstrahlanteil. Der Laserstrahl wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Fügestelle bewegt. Dabei erzeugt der Laserstrahl im Fügepartner-Werkstoff eine Dampfkapillare, die von einem Schmelzbad umgeben ist. Die Dampfkapillare bewegt sich zusammen mit dem Laserstrahl in Schweißrichtung durch den Fügepartner-Werkstoff. Dies erfolgt unter Bildung einer Kapillarumströmung, bei der eine an der Kapillarfront befindliche Metallschmelze über beidseitig der Dampfkapillare gebildete Schmelzbadkanäle in Richtung Kapillarrückseite strömt und dort erstarrt.
Die Erfindung geht von dem Sachverhalt aus, dass bei einem herkömmlichen Laserstrahltiefschweißen die sich beidseitig der Dampfkapillare bildenden Schmelzbadkanäle einen geringen Strömungsquerschnitt aufweisen. Die Kapillarumströmung erreicht daher im Bereich der Schweißbadkanäle eine maximale Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund des geringen Strömungsquerschnitts an den Seiten der Dampfkapillare (das heißt Schmelzbadbreite abzüglich Dampfkapillardurchmesser) übersteigt die dort bei der Kapillarumströmung auftretende mittlere Geschwindigkeit die Vorschubgeschwindigkeit beim Laserstrahlschweißen um das Vielfache, und zwar insbesondere bei Materialien mit geringer Temperaturdifferenz zwischen Verdampfung und Erstarrung sowie geringer Temperaturleitfähigkeit.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass im herkömmlichen Laserstrahltiefschweißen die maximale Strömungsgeschwindigkeit in den seitlichen Schmelzbadkanälen einen wesentlichen Faktor bei der Entstehung des Humping-Effekts bildet. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dem Laserstrahl zusätzlich zumindest ein Aufschmelz-Laserstrahlanteil zugeordnet. Mit dem Aufschmelz-Laserstrahlanteil wird die Breite, das heißt der Strömungsquerschnitt, der Schmelzkanäle erhöht. Dadurch reduziert sich die Strömungsgeschwindigkeit der die Schmelzbadkanäle durchströmenden Metallschmelze. Aufgrund der reduzierten Strömungsgeschwindigkeiten in den seitlichen Schmelzbadkanälen kann die Vorschubgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich erhöht werden, ohne dass ein Humping-Effekt, das heißt eine periodische Schweißnahtopographie mit einander abwechselnden Materialdefiziten sowie Materialanhäufungen eintritt.
Erfindungsgemäß kann daher durch gezielte Strahlformung des Laserstrahls die Strömungsgeschwindigkeit um die Dampfkapillare gesenkt werden, wodurch die resultierende Obergrenze der Vorschubgeschwindigkeit, ab der der Humping-Effekt auftritt, gesteigert werden kann. Erfindungsgemäß kann somit eine geschlossene Schweißnaht mit einer deutlich größeren Vorschubgeschwindigkeit gefügt werden, als es vergleichsweise im Stand der Technik ermöglicht ist, der mit einem herkömmlichen runden Laserstrahl ohne Strahlformung arbeitet. Durch die erfindungsgemäß angepasste Strahlformung bzw. Strahlüberlagerung wird die Ausbildung des Schmelzbades derart beeinflusst, dass der Strömungsquerschnitt an den Seiten der Dampfkapillare vergrößert wird, um die dort bei der Kapillarumströmung auftretende mittlere Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Schmelzbadverbreiterung speziell an den Seiten der Dampfkapillare kann in einer ersten Ausführungsvariante durch Ausnutzung der lateralen Wärmeausbreitung durch vornehmlich konduktiven Wärmetransport erzielt werden. In einer zweiten Ausführungsvariante kann die Schmelzbadverbreitung durch das gezielte oberflächennahe Aufschmelzen vorzugsweise nach Art eines Wärmeleitungsschweißens erfolgen.
Zusammengefasst wird erfindungsgemäß der Strömungsquerschnitt in der Kapillarumströmung erhöht, wodurch sich die Vorschubgeschwindigkeit bis zum Erreichen des Humping-Effekts deutlich steigern lässt. Gleichermaßen kann lässt sich damit das entstehende Wärmefeld (bzw. Temperatureinflusszone) beeinflussen und der damit resultierende thermische Verzug gering gehalten bzw. gesteuert wird.
Erfindungsgemäß kann die Strahlformung durch Anpassung bzw. Zunahme von optischen Komponenten im Betriebsmittelstrang in der Laserstrahlquelle, über die Strahlführung in der Glasfaser oder direkt in der Bearbeitungsoptik erfolgen. Beispiele für die Strahlformung in der Glasfaser sind Fasern mit mehreren Kernen bzw. konfokalen Anordnungen durch zum Beispiel eine Kern-/Mantelführung der Strahlung.
Der Laserstrahl und/oder die Laserstrahlanteile können jeweils als ein Rundstrahl realisiert sein. In einer ersten Ausführungsvariante können der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil und der Aufschmelz-Laserstrahlanteil in einer überlagerten Strahlformung in konfokaler Anordnung ausgerichtet sein, und zwar insbesondere in einer Kern-/Mantelführung des Laserstrahls. In diesem Fall bildet sein radial innerer Kern mit insbesondere Kreis-Querschnittsfläche den Tiefschweiß-Laserstrahlanteil und ein radial äußerer, im Querschnitt kreisringförmiger Mantel den Aufschmelz-Laserstrahlanteil.
Mittels einer Prozesssteuerung der Laserstrahlvorrichtung können bei der konfokalen Anordnung das Durchmesserverhältnis der beiden Laserstrahlanteile und/oder das Leistungsverhältnis der beiden Laserstrahlanteile an die Prozessgeschwindigkeit angepasst werden, damit sich ein ausreichend großer Schmelzbadkanal für die Kapillarumströmung ergibt.
Bei dem Durchmesserverhältnis d₂/d₁ gilt: $d_{2} \geq d_{1},$
und $1 \leq d_{2} {/d}_{1} \leq 10,$
wobei
d₁ = Fokusdurchmesser des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils, und
d₂ = Fokusdurchmesser des Aufschmelz-Laserstrahlanteils.
Bevorzugt gilt für das Verhältnis der beiden Strahldurchmesser: $2,5 \leq d_{2} {/d}_{1} \leq 8,$
und höchstbevorzugt $2,5 \leq d_{2} {/d}_{1} \leq 4.$
Zur Bereitstellung solcher Durchmesserverhältnisse ist ein Single-Mode-Laser bevorzugt, mit dem solche kleinen Fokusdurchmesser erzeugbar sind. Die Abbildung wird vorzugsweise über eine Scanneroptik durchgeführt, und zwar mit einem Abbildungsverhältnis zwischen 1 und 6, insbesondere zwischen 2 und 4.
Die Leistung des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils kann von der Prozesssteuerung direkt proportional mit der Vorschubgeschwindigkeit geändert werden. Beispielhaft kann bei einer Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit von 800 mm/s um einen Faktor von 1,5 auf 1200 mm/s die Leistung des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils ebenfalls um denselben Faktor erhöht werden. Mittels der Erfindung können Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 1500 mm/s, insbesondere 2000 mm/s erzielt werden.
Bei der oben angedeuteten konfokalen Anordnung kann die Leistung des Aufschmelz-Laserstrahlanteils (das heißt im kreisringförmigen, radial äußeren Mantel) im Vergleich zur Leistung des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils reduziert sein, und zwar bevorzugt bis auf einen Wert unterhalb einer Tiefschweißschwelle. Auf diese Weise wird im Bereich des Aufschmelz-Laserstrahlanteils zwar die Schmelztemperatur, nicht jedoch die Dampftemperatur des Fügepartner-Werkstoffes (zum Beispiel Stahl) erreicht.
Nachfolgend wird einer zur überlagerten Strahlformung alternativen Strahlformung beschrieben: Demnach kann der Laserstrahl einen Tiefschweiß-Laserstrahlanteil und zumindest einen, in der Schweißrichtung vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteil aufweisen. Bevorzugt können dem Tiefschweiß-Laserstrahlanteil zumindest zwei vorauseilende Aufschmelz-Laserstrahlanteile zugeordnet sein. In diesem Fall kann sich der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil auf einer Fügestellen-Längsachse bewegen, während die beiden Aufschmelz-Laserstrahlanteile jeweils um einen Querversatz beidseitig von der Fügestellen-Längsachse versetzt sind. Der Mittelpunkt-Querabstand (a₂) zwischen den beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen kann dabei bevorzugt zumindest dem Fokusdurchmesser d₁ des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils entsprechen. Zudem kann der Abstand der einander quer zur Fügestellen-Längsachse zugewandten Innenseiten der beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen kleiner bemessen sein als der Fokusdurchmesser des nacheilenden Tiefschweiß-Laserstrahlanteils. Dadurch ist ein Überlapp zwischen den Teilschmelzbädern der insgesamt drei Laserstrahlanteile sichergestellt.
Beispielhaft kann bei einer Materialstärke des Fügepartner-Werkstoffes in einem Bereich von 50 µm bis 150 µm, insbesondere bei 75 µm folgendes gelten: Der Fokusdurchmesser des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils kann in einem Bereich von 40 µm bis 100 µm liegen, und zwar insbesondere bei 50 µm. Hierzu kann bevorzugt ein Single-Mode-Laser eingesetzt werden, mit dem derart kleine Fokusdurchmesser erzeugbar sind. Die Abbildung wird vorzugsweise über eine Scanneroptik durchgeführt, und zwar mit einem Abbildungsverhältnis zwischen 1 und 6, insbesondere zwischen 2 und 4.
Bei der Strahlformung mit den beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen kann deren Abstand zum nacheilenden Tiefschweiß-Laserstrahlanteil bis auf einen Null-Abstand reduziert sein. Bei einem Null-Abstand liegen die Mittelpunkte der insgesamt drei Laserstrahlanteile in Querrichtung zur Fügestellen-Längsachse in Flucht hintereinander.
Für die Auslegung der Leistung gilt dasselbe, wie bereits anhand der konfokalen Anordnung beschrieben.
In einer weiteren alternativen Strahlformung kann genau ein Aufschmelz-Laserstrahlanteil bereitgestellt sein, der mit dem nacheilenden Tiefschweiß-Laserstrahlanteil in der Schweißrichtung in Längsflucht ausgerichtet ist. Bei dieser Strahl-Konfiguration sind zwei prozessuale Ausprägungen von der Erfindung umfasst:

1. Der vorauseilende Aufschmelz-Laserstrahlanteil kann eine Leistung aufweisen, die im Vergleich zur Leistung des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils bis auf einen Wert unterhalb der Tiefschweißschwelle reduziert ist. Der Aufschmelz-Laserstrahlanteil führt daher ein Wärmeleitungsschweißen aus, bei dem lediglich ein oberflächennahes Aufschmelzen erfolgt, jedoch ohne Verdampfung des Fügepartner-Werkstoffes. Die Laserstrahl-Spots der beiden Laserstrahlanteile können derartige Fokusdurchmesser aufweisen, dass die beiden Spots sich zumindest berühren oder einander teilweise überdecken. Der Mittelpunkt-Längsabstand zwischen den beiden Laserstrahlanteilen ist größer als Null bemessen. Das Durchmesserverhältnis der beiden Laserstrahlanteile kann in Analogie wie bei der konfokalen Anordnung bestimmt werden. Die Leistung der beiden Laserstrahlanteile kann ebenfalls in Analogie zur konfokalen Anordnung eingestellt werden.
2. Bei der zweiten prozessualen Ausprägung kann der vorauseilende Aufschmelz-Laserstrahlanteil so ausgelegt sein, dass er kein Wärmeleitungsschweißen, sondern ein Tiefschweißen ausführt. In diesem Fall kann das Durchmesserverhältnis d₂/d₁ an den beiden Laser-Spots zumindest nahe 1 sein. Mittels der Prozesssteuerung kann der Mittelpunkt-Abstand zwischen den beiden Laserstrahlanteilen so eingestellt werden, dass der laterale Temperaturgradient kleiner ist als im Vergleich zu einem Einzelstrahl bzw. im Vergleich zu zwei Laserstrahlanteilen mit einem zu großen Abstand. Die Prozesssteuerung kann in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit den Mittelpunkt-Abstand sowie die Leistungen der beiden Laserstrahlanteile einstellen, und zwar bevorzugt derart, dass die Breite des jeweiligen Schmelzbadkanals durch den geringeren Temperaturgradienten zunimmt.

In einer weiteren alternativen Strahlumformung können die in Längsflucht hintereinander angeordneten Laserstrahlanteile einen Linienfokus bilden. Dieser erstreckt sich über eine Fokuslänge entlang der Schweißrichtung. Die Breite des Linienfokus entspricht dem Fokusdurchmesser der Laserstrahlanteile.
Die im Rahmen der Erfindung erfolgenden Strahlformungen können durch optische Elemente in der Laserstrahlvorrichtung, zum Beispiel einem Prisma, einem diffraktiven oder refraktiven optischen Element oder anderen Ausprägungen in der Bearbeitungsoptik, vorzugsweise im kollimierten Strahlengang zwischen der Kollimationslinse und der Fokussierlinse erzeugt werden.
Die Strahlaufteilung kann beispielsweise über Teile oder Prismen erzeugt werden, wobei der Linienfokus beispielhaft über Zylinderlinsen erzeugt werden kann.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 4 Ansichten, anhand derer ein Schweißprozess gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist,
5 bis 7 jeweils Ansichten, anhand derer Strahlformungen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele veranschaulicht sind.

In der 1 ist eine Laserstrahlvorrichtung gezeigt, mittels der zwei Fügepartner 1, 3 in einem Tiefschweißverfahren miteinander verschweißt werden. Die beiden Fügepartner 1, 3 sind beispielhaft materialdünne Stahlfolien. Im Tiefschweißprozess wird die Laserstrahlvorrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit v in einer Schweißrichtung bewegt, wodurch sich eine Schweißnaht 4 bildet, die die beiden Fügepartner 1, 3 fluiddicht miteinander verbindet.
Die Laserstrahlvorrichtung weist in der 1 eine Bearbeitungsoptik 5 mit einer Lichtleitfaser 7 auf. Die Bearbeitungsoptik 5 ist aus einer Kollimationsoptik 7 und einer Fokussieroptik 9 aufgebaut. In der Bearbeitungsoptik 5 erfolgt eine überlagerte Strahlformung des Laserstrahls 10. Mittels der überlagerten Strahlformung werden ein Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 11 und ein Aufschmelz-Laserstrahlanteil 13 in konfokaler Anordnung ausgerichtet, wie es aus der 2 und 4 hervorgeht. Bei der konfokalen Anordnung ist eine Kern-/Mantelführung des Laserstrahls 10 realisiert, in der ein radial innerer Kern mit Kreis-Querschnittsfläche den Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 11 bildet und ein radial äußerer, im Querschnitt kreisringförmiger Mantel den Aufschmelz-Laserstrahlanteil 13 bildet.
Mittels des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11 wird im Schweißprozess gemäß der 2 eine Dampfkapillare 15 im Fügepartner-Werkzeug erzeugt, die von einem Schmelzbad 17 umgeben ist. Die Dampfkapillare 15 bewegt sich mit dem Laserstrahl 10 in der Schweißrichtung durch den Fügepartner-Werkstoff. Dabei ergibt sich eine in der 3 mit Pfeilen angedeutete Kapillarumströmung 17, bei der eine an der Kapillarfront 19 befindliche Metallschmelze über beidseitig der Dampfkapillare 15 gebildete Schmelzbadkanäle 21 in Richtung Kapillarrückseite 23 strömt und dort erstarrt.
Mit Hilfe des Aufschmelz-Laserstrahlanteils 13 erfolgt ein gezieltes oberflächennahes Aufschmelzen nach Art eines Wärmeleitungsschweißens. Dadurch wird eine Schmelzbadverbreiterung erzeugt, bei der sich die Breite b (3) und damit der Strömungsquerschnitt der Schmelzbadkanäle 21 erhöht. Auf diese Weise wird die Strömungsgeschwindigkeit der die Schmelzbadkanäle 21 durchströmenden Metallschmelze reduziert. Aufgrund der reduzierten Strömungsgeschwindigkeiten in den seitlichen Schmelzbadkanälen 21 kann die Vorschubgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich erhöht werden, ohne dass ein Humping-Effekt eintritt, das heißt eine periodische Schweißnahtopographie mit einander abwechselnden Materialdefiziten sowie Materialanhäufungen.
In den 1 bis 4 sind der Laserstrahl 10 sowie die beiden Laserstrahlanteile 11, 13 jeweils als ein Rundstrahl realisiert. Eine Prozesssteuerung der Laserstrahlvorrichtung kann das Durchmesserverhältnis d₂/d₁ sowie das Leistungsverhältnis P₁/P₂ zwischen den beiden Laserstrahlanteilen 11, 13 in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v anpassen, wobei gilt: $d_{2} \geq d_{1}$
, sowie $2,5 \leq d_{2} {/d}_{1} \leq 4,$
wobei
d₁=der Fokusdurchmesser des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11
d₂=der Fokusdurchmesser des Aufschmelz-Laserstrahlanteils 13.
Beispielhaft kann bei einer Materialstärke des Fügepartner-Werkstoffes von 50 µm der Fokusdurchmesser d₁ des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11 bei 75 µm liegen.
Die Leistung P₂ des Aufschmelz-Laserstrahlanteils 13 ist in den 1 bis 4 im Vergleich zur Leistung P₁ des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11 bis auf einen Wert unterhalb einer Tiefschweißschwelle reduziert. Mit dem Aufschmelz-Laserstrahlanteil 13 wird daher zwar die Schmelztemperatur, nicht jedoch die Dampftemperatur des Fügepartner-Werkstoffes erreicht. Die Leistung P₂ des Aufschmelz-Laserstrahlanteils 13 ist derart eingestellt, dass lediglich die Bauteiloberfläche aufgeschmolzen wird. Bei der Bemessung der Leistung P₂ des Aufschmelz-Laserstrahlanteils 13 wird die thermische Beeinflussung durch die Leistung P₁ des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11 berücksichtigt.
Nachfolgend sind anhand der 5 bis 7 jeweils alternative Strahlformungen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele angedeutet. In den 5 bis 7 sind die Laserstrahlanteile 11, 13 jeweils als Einzel-Rundstrahlen realisiert, von denen in den 5 bis 7 lediglich die sich an der Fügestelle bildenden Laserspots gezeigt sind.
In der 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel angedeutet, bei dem der Laserstrahl 10 mittels Strahlumformung in einen nacheilenden Tiefschweiß-Strahlanteil 11 und in zwei vorauseilende Aufschmelz-Strahlanteile 13 aufgeteilt wird. Demnach bewegt sich der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 11 auf einer Fügestellen-Längsachse x, während die beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteile 13 jeweils beidseitig um einen Querversatz von der Fügestellen-Längsachse x versetzt sind. Der Mittelpunkt-Längsabstand a₁ zwischen dem nacheilenden Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 11 und den beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen 13 ist größer als Null sowie derart bemessen, dass die von den Laserstrahlanteilen 11, 13 erzeugten Teil-Schmelzbäder in ein gemeinsames Schmelzbad übergehen. Beispielhaft können sich die Laserstrahlanteile 11, 13 mit ihren Laserspots zumindest tangential berühren oder einander teilweise überlagern. Der Mittelpunkt-Querabstand a₂ zwischen den beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen 13 kann zumindest dem Fokusdurchmesser d₁ des Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 13 entsprechen. Zudem kann in der 5 ein Abstand a₃ zwischen einander zugewandten Innenseiten der beiden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen 13 kleiner bemessen sein als der Fokusdurchmesser d₁ des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11. Auf diese Weise ist ein Überlapp zwischen den Teilschmelzbädern der beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen 13 sowie des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11 sichergestellt.
In der 6 ist in einer Ansicht entsprechend der 4 und 5 ein drittes Ausführungsbeispiel angedeutet, bei dem der Laserstrahl 10 mittels Strahlumformung in einen nacheilenden Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 11 und in einen vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteil 13 aufgeteilt wird. In der 6 sind die beiden Laserstrahlanteile 11, 13 in Längsflucht hintereinander angeordnet.
In einer ersten Prozessvariante kann in der 6 der Aufschmelz-Laserstrahlanteil 13 eine Leistung P₂ aufweisen, die im Vergleich zur Leistung P₁ des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11 bis auf einen Wert unterhalb einer Tiefschweißschwelle reduziert. Auf diese Weise erfolgt mittels des Aufschmelz-Laserstrahlanteils 13 eine Wärmeleitungsschweißen, das eine Schmelzbadverbreiterung durch Ausnutzen eines lateralen Wärmeeintrags W durch vornehmlich konduktiven Wärmetransport ergibt. Durch Vergrößerung des Abstands a₁ wird der laterale Wärmeeintrag W vergrößert und damit das Schmelzbad 17 im Bereich der Dampfkapillare 15 verbreitert.
In einer zweiten Prozessvariante kann in der 6 der vorauseilende Aufschmelz-Laserstrahlanteil 13 eine Leistung P₂ aufweisen, die kein Wärmeleitungsschweißen, sondern ein Tiefschweißen ermöglicht. Das Durchmesserverhältnis d₂/d₁ kann bei zumindest nahe 1 liegen. Zudem kann der Mittelpunkt-Längsabstand a₁ zwischen den beiden Laserstrahlanteilen 11, 13 so eingestellt sein, dass der laterale Temperaturgradient kleiner ist als im Vergleich zu einem Einzelstrahl bzw. zwei Laserstrahlanteilen mit einem zu großen Abstand. Die Prozesssteuerung der Laserstrahlvorrichtung kann in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v den Mittelpunkt-Längsabstand a₁ sowie die Leistungen P₁, P₂ derart einstellen, dass die Breite des jeweiligen Schmelzbadkanals 21 durch den geringen Temperaturgradienten zunimmt.
In der 7 ist ein viertes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die beiden in Längsflucht hintereinander angeordneten Laserstrahlanteile 11, 13 einen Linienfokus 29 bilden. Dieser erstreckt sich über eine Fokuslänge I entlang der Schweißrichtung, wobei dessen Breite den Fokusdurchmessern d₁, d₂ der Laserstrahlanteile 11, 13 entspricht. Die Leistung P₁ des nacheilenden Tiefschweiß-Laserstrahlanteils 11 ist derart bemessen, dass ein Tiefschweißprozess ermöglicht ist. Zudem ist im Linienfokus 29 eine Leistungsverteilung entlang der Längsachse x möglich.
Bezugszeichenliste

1,3: Fügepartner
4: Schweißnaht
5: Bearbeitungsoptik
7: Kollimationsoptik
9: Fokussieroptik
10: Laserstrahl
11: Tiefschweiß-Laserstrahlanteil
13: Aufschmelz-Laserstrahlanteil
15: Dampfkapillare
17: Schmelzbad
18: Kapillarströmung
19: Kapillarfront
21: Schmelzbadkanal
23: Kapillarrückseite
25: Tiefschweiß-Laserspot
27: Aufschmelz-Laserspot
29: Linienfokus
x: Fügestellen-Längsachse
I: Linienfokus-Länge
b: Schmelzbadkanal-Breite
d1, d2: Fokaldurchmesser
P1, P2: Leistungen
a1: Mittelpunkt-Längsabstand
a2: Mittelpunkt-Querabstand
a3: Abstand
v: Vorschubgeschwindigkeit
W: lateraler Wärmeeintrag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19751195 C1 [0006]
DE 102007046074 A1 [0006]
DE 102019210019 [0006]

Claims

Verfahren zum Laserstrahltiefschweißen zumindest zweier Fügepartner (1, 3), bei dem eine Laserstrahlvorrichtung einen Laserstrahl (10) mit einem Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) erzeugt, der mit einer Vorschubgeschwindigkeit (v) entlang einer Fügestelle bewegt wird, wobei der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) im Fügepartner-Werkstoff eine Dampfkapillare (15) erzeugt, die von einem Schmelzbad (17) umgeben ist und die sich mit dem Laserstrahl (10) in Schweißrichtung durch den Fügepartner-Werkstoff bewegt, und zwar unter Bildung einer Kapillarumströmung (18), bei der eine an der Kapillarfront (19) befindliche Metallschmelze über beidseitig der Dampfkapillare (15) gebildete Schmelzbadkanäle (21) in Richtung Kapillarrückseite (23) strömt und dort erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (10) zusätzlich zumindest ein Aufschmelz-Laserstrahlanteil (13) zugeordnet ist, mittels dem die Breite (b), das heißt der Strömungsquerschnitt, der Schmelzbadkanäle (21) erhöht wird, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit der die Schmelzbadkanäle (21) durchströmenden Metallschmelze reduziert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) und/oder die Laserstrahlanteile (11, 13) jeweils als ein Rundstrahl realisiert ist, und/oder dass der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) und der Aufschmelz-Laserstrahlanteil (13) in einer überlagerten Strahlformung in konfokaler Anordnung ausgerichtet sind, und zwar insbesondere in einer Kern-/Mantelführung des Laserstrahls (10), bei der ein radial innerer Kern mit insbesondere Kreis-Querschnittsfläche den Tiefschweiß-Anteil (11) und ein radial äußerer, im Querschnitt kreisringförmiger Mantel den Aufschmelz-Anteil (13) bildet, und/oder dass insbesondere die Schmelzbadverbreiterung durch ein gezieltes oberflächennahes Aufschmelzen, vorzugsweise nach Art eines Wärmeleitungsschweißens, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlvorrichtung eine Prozesssteuerung aufweist, die ein Durchmesserverhältnis (d₂/d₁) und/oder ein Leistungsverhältnis (P₁/P₂) zwischen den beiden Laserstrahlanteilen (11, 13) in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit (v) anpasst, und dass insbesondere für den Fokusdurchmesser (d₁) des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11) und den Fokusdurchmesser (d₂) des Aufschmelz-Laserstrahlanteils (13) folgendes gilt: $d_{2} \geq d_{1}$
sowie $1 \leq d_{2} {/d}_{1} \leq 10,$
bevorzugt $2,5 \leq d_{2} {/d}_{1} \leq 8,$
höchst bevorzugt $2,5 \leq d_{2} {/d}_{1} \leq 4,$
und/oder dass der Aufschmelz-Laserstrahlanteil (13) eine Leistung (P₂) aufweist, die im Vergleich zur Leistung (P₁) des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11) reduziert ist, und zwar insbesondere auf einen Wert unterhalb einer Tiefschweißschwelle, mit dem zwar die Schmelztemperatur, nicht jedoch die Dampftemperatur des Fügepartner-Werkstoffes erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Strahlformung der Laserstrahl (10) einen Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) und zumindest einen in der Schweißrichtung vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteil (13) aufweist, die über einen Mittelpunkt-Längsabstand (a₁) von größer als Null voneinander beabstandet sind, und/oder dass insbesondere der Mittelpunkt-Längsabstand (a₁, a₂) zwischen den Laserstrahlanteilen (11, 13) so bemessen ist, dass die von den Laserstrahlanteilen (11, 13) erzeugten Teil-Schmelzbäder in ein gemeinsames Schmelzbad übergehen, und/oder dass insbesondere sich die Laserstrahlanteile (11, 13) an der Fügestelle, das heißt deren Laserspots, zumindest tangential berühren oder einander teilweise überlagern, und/oder dass insbesondere die Laserstrahlanteile (11, 13) in der Schweißrichtung in Längsflucht hintereinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden in Längsflucht hintereinander angeordneten Laserstrahlanteilen (11, 13) der vorauseilende Aufschmelz-Laserstrahlanteil (13) so ausgelegt ist, dass er kein Wärmeleitungsschweißen, sondern ein Tiefschweißen ausführt, und dass insbesondere das Durchmesserverhältnis (d₂/d₁) insbesondere zumindest nahe bei 1 liegt, und dass insbesondere mittels der Prozesssteuerung der Mittelpunkt-Längsabstand (a₁) zwischen den Laserstrahlanteilen (11, 13) so einstellbar ist, dass der laterale Temperaturgradient kleiner ist als im Vergleich zu einem Einzelstrahl bzw. zwei Laserstrahlanteilen in einem zu großen Abstand, und/oder dass insbesondere die Prozesssteuerung in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit den Mittelpunkt-Längsabstand (a₁) sowie die Leistungen (P₁, P₂) einstellt, und zwar bevorzugt derart, dass die Breite (b) des jeweiligen Schmelzbadkanals (21) durch den geringen Temperaturgradienten zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beiden in Längsflucht hintereinander angeordneten Laserstrahlanteile (11, 13) einen Linienfokus (29) bilden, der sich über eine Fokuslänge (I) in der Schweißrichtung erstreckt und dessen Breite dem Fokusdurchmesser (d₁, d₂) der Laserstrahlanteile (11, 13) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) zumindest zwei vorauseilende Aufschmelz-Laserstrahlanteile (13) zugeordnet sind, und dass insbesondere sich der Tiefschweiß-Laserstrahlanteil (11) auf einer Fügestellen-Längsachse (x) bewegt, während die beiden Aufschmelz-Laserstrahlanteile (13) jeweils um einen Querversatz beidseitig von der Fügestellen-Längsachse (x) versetzt sind, und dass insbesondere der Mittelpunkt-Querabstand (a₂) zwischen den beiden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen (13) zumindest dem Fokusdurchmesser (d₁) des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a₃) der einander quer zur Fügestellen-Längsachse (x) zugewandten Innenseiten der vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen (13) kleiner bemessen ist als der Fokusdurchmesser (d₁) des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11), so dass insbesondere ein Überlapp zwischen den Teilschmelzbädern der beiden vorauseilenden Aufschmelz-Laserstrahlanteilen (13) sowie des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11) sichergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Materialstärke des Fügepartner-Werkstoffes in einem Bereich von 50 µm bis 150 µm, insbesondere bei 75 µm, der Fokusdurchmesser (d₁) des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11) in einem Bereich von 40 µm bis 100 µm, insbesondere bei 50 µm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesssteuerung der Laserstrahlvorrichtung die Leistung (P₁) des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11) direkt proportional mit der Vorschubgeschwindigkeit (v) ändert, so dass zum Beispiel bei einer Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit (v) von 800 mm/s um einen Faktor von 1,5 auf 1200 mm/s die Leistung (P₁) des Tiefschweiß-Laserstrahlanteils (11) um denselben Faktor erhöht wird, und/oder dass Vorschubgeschwindigkeiten (v) bis zu 1500 mm/s, insbesondere 2000 mm/s erzielbar sind.