DE102021126749A1

DE102021126749A1 - Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE102021126749A1
Application number: DE102021126749.8A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023061782A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier, vorzugsweise metallischer, Bauteile (19, 12), wobei ein gepulster Laserstrahl (18) auf eine Oberfläche (20) des einen der Bauteile (10) gerichtet wird, sodass das Material der Bauteile (10, 12) im Bereich einer zu erstellenden Schweißnaht (23) aufgeschmolzen wird, wobei der Laserstrahl (18) ein Intensitätsprofil aufweist, das ein ringförmiges Intensitätsmaximum und ein lokales Intensitätsminimum in seinem Zentrum besitzt, wobei die Intensität im Intensitätsminimum wenigstens 10 % kleiner ist als im Intensitätsmaximum (30), und wobei eine Tiefe (34) der erstellten Schweißnaht (23) höchstens so groß ist wie eine Breite (36) der Schweißnaht.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile, wobei ein gepulster Laserstrahl auf eine Oberfläche des einen der Bauteile gerichtet wird, sodass das Material der Bauteile im Bereich einer zu erstellenden Schweißnaht aufgeschmolzen wird.
Solche Verfahren sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Die Schweißnaht durchdringt dabei das eine der Bauteile und reicht in das andere Bauteil hinein, sodass die Bauteile miteinander verbunden werden.
Die angewandten Pulsdauern liegen beim sogenannten „stiching“ im Nanosekundenbereich. Oft werden hierzu Laserstrahlen mit einem gaussförmigen oder Tophat-ähnlichen Intensitätsprofil verwendet. Durch die hohe Intensität im Zentrum dieser Laserstrahlen wird jedoch eine erhebliche Verdampfung von Material aus dem Schweißbad hervorgerufen. Dies führt zu Turbulenzen im Schweißbad. Letztendlich erhöht dies die Fehleranfälligkeit des Schweißvorgangs.
Die vorgenannten Probleme stellen sich bei Schweißverfahren mit kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Laserstrahlen ebenso.
Bei aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Tiefschweißverfahren ist die Tiefe der erzeugten Schweißnaht wesentlich größer als deren Breite. Dadurch weist eine einzelne Schweißnaht nur einen geringen Anbindungsquerschnitt auf. Um die gewünschte mechanische Festigkeit oder elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, werden daher typischerweise mehrere Schweißnähte neben einander gelegt. Dies verlängert die Fertigungszeit und erhöht die Herstellkosten.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Bauteile rationell und in hoher Qualität verschweißt werden können.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. In den Unteransprüchen und der Beschreibung sind vorteilhafte Varianten angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile vorgesehen. Die Bauteile sind typischerweise Bleche oder Folien. Insbesondere kann eine Folie mit einem Blech verschweißt werden. Eine Dicke der Bauteile kann weniger als 3 mm, insbesondere weniger als 2 mm, betragen. Die Bauteile können gleich oder unterschiedlich dick sein. Die Bauteile bestehen vorzugsweise jeweils aus einem metallischen Material. Die Bauteile können aus artgleichen Materialien, d. h. einer Legierung mit demselben Hauptlegierungselement, bestehen. Das Hauptlegierungselement kann beispielsweise Eisen, Kupfer oder Aluminium sein. Insbesondere können die Bauteile aus demselben Material bestehen. In Sonderfällen können mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier, Bauteile miteinander verschweißt werden.
Typischerweise überlappen die Bauteile einander flächig. Durch die flächige Überlappung der Bauteile werden Flachseiten der aneinander angrenzenden Bauteile aneinander angeordnet. Insbesondere kann ein Überlappstoß oder ein Parallelstoß vorliegen. Die Schweißnaht durchdringt zumindest ein erstes der Bauteile und reicht in das zweite Bauteil und ggf. weitere Bauteile hinein, sodass die Bauteile miteinander verbunden werden.
Zum Verschweißen der Bauteile wird ein gepulster Laserstrahl auf eine Oberfläche des einen der Bauteile (auch als erstes Bauteil bezeichnet) gerichtet wird. Dadurch wird das Material der Bauteile im Bereich einer zu erstellenden Schweißnaht aufgeschmolzen. Das Aufschmelzen des Materials unterhalb der Oberfläche, insbesondere des Materials des zweiten Bauteils, erfolgt vorrangig durch Wärmeleitung. Es handelt sich mit anderen Worten um ein Verfahren des Wärmeleitungsschweißens.
Erfindungsgemäß weist der Laserstrahl ein Intensitätsprofil auf, das ein ringförmiges Intensitätsmaximum und ein lokales Intensitätsminimum in seinem Zentrum besitzt. Mit anderen Worten nimmt die Intensität des Laserstrahls vom Zentrum ausgehend nach radial außen zunächst zu. Vom ringförmigen Intensitätsmaximum weiter nach außen fällt die Intensität ab, bis der äußere Rand des Laserstrahls erreicht ist. Im ringförmigen Intensitätsmaximum kann die Intensität in Umfangsrichtung konstant oder veränderlich sein. Das ringförmige Intensitätsmaximum kann mit anderen Worten durch die Gesamtheit der jeweiligen lokalen Intensitätsmaxima aller radialen Richtungen beschrieben werden.
Die Intensität ist im Intensitätsminimum wenigstens 10 %, bevorzugt wenigstens 20 %, besonders bevorzugt wenigstens 30 %, ganz besonders bevorzugt wenigstens 40 % kleiner, als im Intensitätsmaximum. Sofern sich die Intensität des ringförmigen Intensitätsmaximums in Umfangsrichtung ändert, kann zum Vergleich eine minimale Intensität im Bereich des Intensitätsmaximums herangezogen werden. Vorzugsweise wird zum Vergleich ein, insbesondere arithmetischer, Mittelwert über die Intensitäten oder der Median der Intensitäten entlang des ringförmigen Intensitätsmaximums herangezogen.
Weiter erfindungsgemäß ist eine Tiefe der erstellten Schweißnaht höchstens so groß ist wie eine Breite der Schweißnaht. Mit anderen Worten beträgt das Aspektverhältnis von Tiefe zu Breite der Schweißnaht höchstens 1:1. Bevorzugt beträgt die Tiefe der Schweißnaht höchstens zwei Drittel, besonders bevorzugt höchstens die Hälfte der Breite der Schweißnaht. Die Tiefe der Schweißnaht kann höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 2 mm, betragen. Die Schweißnaht reicht vorzugsweise nicht bis zu einer von der Oberfläche des ersten Bauteils, auf welche der Laserstrahl auftrifft, abgewandten Endfläche des zweiten Bauteils.
Durch das Intensitätsminimum im Zentrum des Laserstrahls kann die Verdampfung von Material in der Mitte des Schweißbades vermieden oder zumindest verringert werden. Bewegungen, insbesondere turbulente Strömungen, im Schweißbad können dadurch vermieden oder zumindest verringert werden. Dadurch kann ein besonders gleichmäßiges Aufschmelzen erreicht und mithin eine besonders gleichmäßige Schweißnaht erhalten werden. Zudem kann dadurch erreicht werden, dass die Tiefe der Schweißnaht besonders präzise eingestellt werden kann und insbesondere entlang der Erstreckungsrichtung der Schweißnaht (in Vorschubrichtung) sich nur äußerst geringfügig verändert.
Durch die große Breite der Schweißnaht wird ein großer Anbindungsquerschnitt erhalten. Dies erhöht die mechanische Belastbarkeit bzw. elektrische Leitfähigkeit der Schweißnaht. Die Anzahl der erforderlichen Schweißnähte kann dadurch reduziert werden. Dadurch reduziert sich die gesamte Prozesszeit zum Verbinden der Bauteile. Insbesondere wird auch die Wechselwirkungszeit mit dem Laserstrahl verringert, was für die Eigenschaften der Bauteile bzw. des Verbundes der Bauteile vorteilhaft sein kann.
Ferner erlaubt die große Breite und exakt eingestellte Tiefe der Schweißnaht eine präzise Durchmischung der Materialien der beiden Bauteile. Die Qualität, insbesondere die mechanische Belastbarkeit bzw. elektrische Leitfähigkeit, der Schweißnaht wird dadurch weiter verbessert.
Besonders bevorzugt ist ein Gradient des Intensitätsprofils vom Intensitätsmaximum nach radial außen betragsmäßig größer als vom Intensitätsmaximum nach radial innen, insbesondere um wenigstens 10 %, bevorzugt um wenigstens 25 %. Mit anderen Worten fällt die Intensität vom Intensitätsmaximum nach radial außen stärker ab als nach radial innen zum Intensitätsminimum hin. Dadurch kann die Größe bzw. Ausdehnung des aufgeschmolzenen Bereichs besonders genau eingestellt werden. Auch bei unterschiedlichen Oberflächenqualitäten kann die gewünschte Größe bzw. Ausdehnung des Schweißbades bzw. der Schweißnaht sehr genau erhalten werden. Das Intensitätsmaximum kann zwischen 80 % und 90 %, insbesondere bei ca. 86 %, des Durchmessers des Laserstrahls liegen. Zum Vergleich werden die Gradienten grundsätzlich im selben radialen Abstand vom Intensitätsmaximum bestimmt.
Die Bauteile können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbesondere können die Bauteile aus artungleichen Materialien mit unterschiedlichen Hauptlegierungselementen bestehen. Die Hauptlegierungselemente können beispielsweise Eisen, Kupfer oder Aluminium sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, derart verschiedene Materialien rationell und mit hoher Qualität zu verschweißen. Insbesondere verringert das erfindungsgemäße Verfahren das Entstehen intermetallischer bzw. spröder Phasen. Die erstellte Schweißnaht weist folglich eine hohe Festigkeit, hohe Duktilität und einen geringen elektrischen Widerstand auf.
Ein Querschnitt der Schweißnaht kann die Form einer plankonvexen Linse aufweisen. Vorzugsweise ist die Schweißnaht von der Oberfläche abgewandt durch einen konvex gekrümmten Bogen begrenzt, der insbesondere elliptisch, bevorzugt rund sein kann. Mit anderen Worten entspricht der Querschnitt der Schweißnaht einem Abschnitt eines Ovals, bevorzugt einer Ellipse, besonders bevorzugt eines Kreises. Somit ist die Schweißnaht an ihrem in Tiefenrichtung unteren Ende verrundet. Die bedarfsgerechte Durchmischung der Fügepartner kann dadurch weiter verbessert werden. Insbesondere beim Verschweißen artungleicher Materialien kann durch diese Gestalt der Schweißnaht der entstehende Anteil spröder Phasen noch weiter verringert werden.
Eine Pulsdauer eines Pulses des Laserstrahls kann wenigstens 10 µs, bevorzugt wenigstens 20 µs, betragen. Derart kann erreicht werden, dass das Material der Bauteile auf einer hinreichend großen Fläche aufgeschmolzen wird.
Die Pulsdauer kann höchstens 1 s, bevorzugt höchstens 0,5 s betragen. Dies verringert den Wärmeeintrag in die Bauteile. Zudem können kurze Wechselwirkungszeiten mit dem Laserstrahl die bedarfsgerechte Durchmischung im Schweißbad begünstigen. Insbesondere bei artungleichen Materialien der Bauteile kann dadurch das entstehen spröder Phasen zusätzlich verringert werden.
Typischerweise besitzen alle Pulse gleiche Pulsdauern. Dies vereinfacht die Durchführung des Verfahrens.
Eine Pulsenergie eines Pulses des Laserstrahls kann wenigstens 100 mJ, bevorzugt wenigstens 200 mJ, betragen. Dies ermöglicht das Aufschmelzen großer Flächen. Dadurch kann eine große Anbindungsfläche der Schweißnaht erreicht werden. Zudem kann dadurch begünstigt werden, die gewünschten Aspektverhältnisse von Tiefe zu Breite von höchstens 1:1 zu erhalten. Typischerweise besitzen alle Pulse gleiche Pulsenergien. Dies vereinfacht die Durchführung des Verfahrens.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann das Intensitätsminimum des Laserstrahls zumindest über die gesamte Einschweißtiefe vorliegen. Ein in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ausgedehntes Intensitätsminimum, das sich im Zentrum des Intensitätsprofils des Laserstrahls befindet, kann beispielsweise durch eine Quetschung der den Laserstrahl führenden Faser erzielt werden, wie in der WO 2019/150071 beschrieben. Das Intensitätsminimum kann in einem solchen Fall nach Verlassen der Faser an jeder Position in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorliegen. Das in Strahlausbreitungsrichtung ausgedehnte Intensitätsminimum erhöht die Toleranzen in Richtung der optischen Achse des Laserstrahls.
Der Laserstrahl kann mit mehreren Teilstrahlen gebildet sein, von denen zumindest einige entlang des ringförmigen Intensitätsmaximums angeordnet sind. Die Teilstrahlen sind mit anderen Worten azimutal entlang des Intensitätsmaximums angeordnet. Dies erhöht die Flexibilität bei der Formung des Laserstrahls bzw. Intensitätsprofils. Wenigstens ein weiterer Teilstrahl des Laserstrahls kann im Bereich des zentralen Intensitätsminimums angeordnet sein. Vorzugsweise werden die Teilstrahlen durch voneinander unabhängige Laserlichtquellen erzeugt. Dadurch kann die Gestaltung des Intensitätsprofils weiter verfeinert werden. Wenigstens zwei der Teilstrahlen können unterschiedliche Laserleistungen besitzen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Laserleistungen der Teilstrahlen unabhängig voneinander verändert werden. Dadurch kann beispielsweise in Vorschubrichtung vorne eine größere Intensität eingestellt werden und dieses Intensitätsprofil auf einfache Weise beibehalten werden, wenn sich die Vorschubrichtung ändert. Die Laserlichtquellen können einen Faserlaser umfassen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl von einer Laserlichtquelle emittiert wird, welche eine aktive Laserfaser aufweist, deren Modenfeld durch Einbringen von mechanischem Stress veränderbar ist. Durch Verändern der mechanischen Belastung der aktiven Laserfaser kann die Modenordnung eingestellt werden. Hierzu brauchen keine optischen Elemente ausgetauscht zu werden. Dies erlaubt es, das Intensitätsprofil auf einfache Weise an unterschiedliche zu verschweißende Materialien anzupassen. Die Laserlichtquelle kann einen Scheibenlaser umfassen.
Weiter alternativ kann der Laserstrahl durch eine Laserfaser mit einer Kernfaser und einer Ringfaser emittiert werden. Vorzugsweise wird in die Kernfaser und in die Ringfaser Laserlicht aus unterschiedlichen Laserlichtquellen eingeleitet. Derart kann der Intensitätsabfall im Intensitätsminimum besonders einfach eingestellt werden.
Das Strahlparameterprodukt des Laserstrahls kann wenigstens 0,38 mm*mrad betragen. Das Strahlparameterprodukt des Laserstrahls kann, insbesondere bei einer Laserlichtquelle mit veränderbaren Modenfeld, höchstens 100 mm*mrad, bevorzugt höchstens 32 mm*mrad, betragen. Weiter kann das Strahlparameterprodukt, insbesondere bei Verwendung einer Laserfaser mit einer Kernfaser und einer Ringfaser bzw. bei Bildung des Laserstrahls durch mehrere Teilstrahlen, höchstens 0,6 mm*mrad betragen.
Der Strahldurchmesser des Laserstrahls kann auf der Oberfläche des ersten Bauteils wenigstens 10 µm und/oder höchstens 1200 µm betragen. Der Strahldurchmesser kann auf der Oberfläche, insbesondere bei Verwendung einer Laserfaser mit einer Kernfaser und einer Ringfaser bzw. bei Bildung des Laserstrahls durch mehrere Teilstrahlen, wenigstens 30 µm und/oder höchstens 300 µm, bevorzugt höchstens 70 µm, betragen. Weiter kann der Strahldurchmesser auf der Oberfläche, insbesondere bei einer Laserlichtquelle mit veränderbaren Modenfeld, wenigstens 50 µm betragen.
Die Fluenz des Laserstrahls kann höchstens 1000 J/mm², insbesondere höchstens 300 J/mm2, betragen. Die Intensität des Laserstrahls kann höchstens 20 kW/mm², insbesondere höchstens 10 kW/mm², betragen. Die vorgenannten Höchstwerte beziehen sich insbesondere auf eine, vorzugsweise arithmetische, Mittelung über den Querschnitt des Laserstrahls.
Eine Wellenlänge des Laserstrahls kann wenigstens 800 nm und/oder höchstens 1200 nm betragen. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl ein Infrarot-Laserstrahl sein. Insbesondere kann die Wellenlänge 1030 nm oder 1070 nm betragen.
Alternativ kann die Wellenlänge des Laserstrahls im Bereich des sichtbaren Lichts liegen. Insbesondere kann die Wellenlänge wenigstens 400 nm und/oder höchstens 450 nm betragen; der Laserstrahl kann mithin blau sein. Alternativ kann die Wellenlänge 515 nm betragen; der Laserstrahl kann mithin grün sein.
Eine durchschnittliche Laserleistung des Laserstrahls kann, insbesondere bei arithmetische Mittelung über der Zeit, wenigstens 10 W, insbesondere wenigstens 50 W, und/oder höchstens 2000 W, insbesondere höchstens 700 W, betragen. Eine Puls-Spitzenleistung der einzelnen Laserpulse kann wenigstens 100 W, insbesondere wenigstens 500 W, und/oder höchstens 20 kW, insbesondere höchstens 7 kW, betragen.
Eine Pulsfrequenz kann wenigstens 25 Hz, insbesondere wenigstens 250 Hz, und/oder höchstens 8 kHz, insbesondere höchstens 800 Hz, betragen.
Eine Vorschubgeschwindigkeit kann wenigstens 10 mm/s, insbesondere wenigstens 100 mm/s, und/oder höchstens 5 m/s, insbesondere höchstens 2 m/s, betragen.
Der zum Schweißen eingesetzte Laserstrahl kann von einer Laserlichtquelle emittiert werden, welche eine Scanneroptik aufweist. Alternativ kann der Laserstrahl von einer Laserlichtquelle mit einer fliegenden Fokussieroptik emittiert werden. Die Scanneroptik bzw. Fokussieroptik kann ein Abbildungsverhältnis von wenigstens 1:1, bevorzugt wenigstens 1,5:1, und/oder höchstens 5:1, bevorzugt höchstens 2:1, besitzen. Das Abbildungsverhältnis gibt die Vergrößerung des Strahldurchmessers durch die Optik an. Das Abbildungsverhältnis m kann aus dem Verhältnis der Brennweite f eines Objektivs und einer Kollimationsbrennweite fc als m = f/fc berechnet werden.
Die Tiefe der Schweißnaht kann wenigstens das 1,5-fache, bevorzugt wenigstens das Doppelte, besonders bevorzugt wenigstens das Dreifache einer Dicke desjenigen Bauteils betragen, auf dessen Oberfläche der Laserstrahl trifft. Dadurch kann erreicht werden, dass die Schweißnaht im Berührbereich der Bauteile eine hinreichend große Breite aufweist, sodass mit anderen Worten der Anbindungsquerschnitt in der gewünschten Größe ausgebildet wird.
Vorzugsweise besitzt ein Querschnitt durch den Laserstrahl in zwei zueinander senkrechten Richtungen dieselbe Ausdehnung. Dies vereinfacht die Steuerung des Schweißvorgangs.
Besonders bevorzugt ist das Intensitätsmaximum kreisringförmig. Dadurch kann in beliebigen Richtungen mit identischen Eigenschaften geschweißt werden.
Alternativ kann das ringförmige Intensitätsmaximum polygonal sein. Eine polygonale Gestaltung des Intensitätsmaximums bietet sich insbesondere an, wenn der Laserstrahl aus mehreren Teilstrahlen besteht. Das polygonale Intensitätsminimum hat wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier Ecken. Insbesondere kann das polygonale Intensitätsminimum sechs, acht oder zwölf Ecken besitzen. Derart kann eine Kreisform angenähert werden
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen 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
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung des Verschweißens zweier Bauteile mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei ein Laserstrahl von einer Laserlichtquelle mit einer aktiven Laserfaser, deren Modenfeld durch mechanische Belastung veränderbar ist, emittiert wird;
2 eine schematische Darstellung des Intensitätsprofils des Laserstrahls beim Schweißverfahren von 1 mit einer ersten Ringmode;
3 eine schematische Darstellung des Intensitätsprofils des Laserstrahls beim Schweißverfahren von 1 mit einer anderen Ringmode;
4 eine Laserlichtquelle, die einen Laserstrahl aus einer Kernfaser und einer Ringfaser emittiert, für ein erfindungsgemäßes Schweißverfahren, in einer schematischen Schnittdarstellung;
5 einen schematischen Querschnitt durch einen aus mehreren Teilstrahlen zusammengesetzten Laserstrahl für ein erfindungsgemäßes Schweißverfahren.

1 zeigt eine Momentaufnahme beim Verschweißen eines ersten Bauteils 10 mit einem zweiten Bauteil 12. Hier sind Flachseiten der beiden Bauteile 10, 12 aneinander angrenzend angeordnet, sodass die beiden Bauteile 10, 12 einander flächig überlappen. Die beiden Bauteile 10, 12 bestehen jeweils aus einem metallischen Material. Vorliegend bestehen die Bauteile 10, 12 aus artungleichen Materialien; beispielsweise kann das erste Bauteil 10 aus einer Aluminiumlegierung bestehen und das zweite Bauteil 12 kann aus einer Kupferlegierung bestehen. Die beiden Bauteile können unterschiedlich dick sein. Eine Dicke 14 des ersten Bauteils 10 kann beispielsweise 0,15 mm betragen. Eine Dicke 16 des zweiten Bauteils 12 kann beispielsweise 0,3 mm betragen.
Zum Verschweißen der beiden Bauteile 10, 12 wird ein gepulster Laserstrahl 18 auf eine freie Oberfläche 20 des ersten Bauteils 10 gerichtet. Eine Pulsdauer des Laserstrahls 18 kann 100 µs betragen. Eine Pulsenergie eines Pulses des Laserstrahls 18 kann 500 mJ betragen. Eine Wellenlänge des Laserstrahls 18 kann 1030 nm betragen. Ein Strahldurchmesser 22 des Laserstrahls 18 am Auftreffpunkt auf der Oberfläche 20 kann 850 µm betragen. Das Material der Bauteile 10, 12 wird durch die vom Laserstrahl 18 eingebrachte Wärme im Bereich der zu erstellenden Schweißnaht 23 aufgeschmolzen.
Der Laserstrahl 18 wird im Ausführungsbeispiel von 1 durch eine Laserlichtquelle 24 mit einer aktiven Laserfaser 26 emittiert. Durch Verändern der mechanischen Belastung der aktiven Laserfaser 26 ist das Modenfeld des Laserstrahls 18 veränderbar. Hierzu kann die Laserlichtquelle 24 einen Aktuator 28 aufweisen.
Zum Verschweißen der Bauteile 10, 12 wird durch geeignete Belastung der Laserfaser 26 eine Ringmode aktiviert. Die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 18 am Auftreffpunkt auf die Oberfläche 20 ist in 2 dargestellt. Dabei ist links unten eine Graustufendarstellung der Intensitäten im Querschnitt des Laserstrahls 18 gezeigt. Links oben und rechts unten sind die Verläufe der Intensitäten I in Querschnitten entlang der X-Achse bzw. Y-Achse durch den Laserstrahl 18 aufgetragen.
Der Laserstrahl 18 weist ein kreisringförmiges Intensitätsmaximum 30 auf, welches ein lokales Intensitätsminimum 32 im Zentrum des Laserstrahls 18 umgibt. Die Intensität kann in azimutaler Richtung entlang des Intensitätsmaximums 30 gewisse Schwankungen aufweisen. Im zentralen Intensitätsminimum 32 ist die Intensität hier etwa halb so groß wie der Median der Intensitäten im Intensitätsmaximum 30. Vom Intensitätsmaximum 32 nach radial außen fällt die Intensität schneller ab als nach radial innen. Dadurch wird der Laserstrahl 18 nach radial außen scharf begrenzt. Zum Intensitätsminimum 32 hin erfolgt ein demgegenüber langsamerer Abfall der Intensität.
Beim Schweißen mit dem Laserstrahl gemäß 2 kann die Puls-Spitzenleistung kann 1581 W betragen. Die durchschnittliche Laserleistung kann 454 W betragen. Die Pulsfrequenz kann 250 Hz betragen. Die Pulsdauer kann 1150 µs betragen. Die Pulsenergie kann 1,8 J betragen. Die Vorschubgeschwindigkeit kann 1,5 m/min betragen.
3 zeigt die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 18 beim Verschweißen der Bauteile 10, 12, wenn eine andere Ringmode aktiviert ist. Bei dieser Ringmode schwank die Intensität in azimutaler Richtung entlang des kreisringförmigen Intensitätsmaximums 30 weniger stark als in 2. Die Intensität im Bereich des Intensitätsminimums 32 beträgt hier weniger als 20 % des Medians der Intensitäten im Intensitätsmaximum 30.
Beim Schweißen mit dem Laserstrahl gemäß 3 kann die Puls-Spitzenleistung kann 1635 W betragen. Die durchschnittliche Laserleistung kann 470 W betragen. Die Pulsfrequenz kann 250 Hz betragen. Die Pulsdauer kann 1150 µs betragen. Die Pulsenergie kann 1,8 J betragen. Die Vorschubgeschwindigkeit kann 1,5 m/min betragen.
Beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren wird die Scheißnaht so erstellt, dass eine Tiefe 34 der Schweißnaht 23 (gemessen in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 18) kleiner ist als eine Breite 36 der Schweißnaht 23 (gemessen senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 18), vergleiche 1. Hier beträgt die Tiefe 34 etwa ein Drittel der Breite 36. Die Tiefe 34 der Schweißnaht 22 kann beispielsweise 0,3 mm betragen. Beim Verschweißen der Bauteile 10, 12 kann das Intensitätsminimum 32 vorzugsweise über die gesamte Einschweißtiefe vorliegen.
Auf ihrer von der Oberfläche 20 abgewandten Seite, d. h. zu dem zweiten Bauteil 12 hin, wird die Schweißnaht 23 durch einen konvex gekrümmten Bogen 38, hier einen Kreisbogen begrenzt. Der Querschnitt der Schweißnaht 23 besitzt mithin die Form einer plankonvexen Linse bzw. eines Kreissegments. Die Schweißnaht 23 erstreckt sich nicht vollständig durch das zweite Bauteil 12 hindurch. Insbesondere reicht die Schweißnaht 23 nicht bis zu einer Endfläche 39 des zweiten Bauteils 12, welche von dem ersten Bauteil 10 abgewandt ist.
4 zeigt eine Laserlichtquellenanordnung 40, die anstelle der Laserlichtquelle 24 von 1 zum Verschweißen der Bauteile 10, 12 verwendet werden kann. Die Laserlichtquellenanordnung 40 weist eine Laserfaser 42 mit einer Kernfaser 44 und einer Ringfaser 46 auf. Die Ringfaser 46 umgibt die Kernfaser 44. Ein Laserstrahl 18 ist in seinem Zentrum durch aus der Kernfaser 44 austretendes Laserlicht und in seinem radial äußeren Bereich durch aus der Ringfaser 46 austretendes Laserlicht gebildet.
In die Kernfaser 44 und die Ringfaser 46 wird Laserlicht aus voneinander separaten Laserlichtquellen 48, 50 eingespeist. Durch entsprechende Ansteuerung der Laserlichtquellen 48, 50 wird erreicht, dass die Intensität des Laserstrahls 18 im Zentrum kleiner ist als in einem das Zentrum ringförmig umgebenden Bereich. Mit anderen Worten erzeugt das aus der Ringfaser 46 austretendes Laserlicht ein ringförmiges Intensitätsmaximum, welches ein zentrales Intensitätsminimum einschließt, das im Wesentlichen durch aus der Kernfaser 44 austretendes Laserlicht erzeugt wird.
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Laserstrahl 18, der aus mehreren Teilstrahlen 52, 54 gebildet ist. Die Teilstrahlen 52 bilden ein ringförmiges Intensitätsmaximum. Vorliegend sind die Teilstrahlen 52 auf Eckpunkten eines Polygons, hier eines Sechsecks, angeordnet. Zur Steuerung der Intensität eines zentralen Intensitätsminimums ist der Teilstrahl 54 vorgesehen. Wenn im Zentrum eine besonders geringe Intensität gewünscht ist, kann der Teilstrahl 54 auch entfallen. Es versteht sich, dass mehr oder weniger als sechs Teilstrahlen 52 verwendet werden können. Ebenso könnten im Zentrum mehrere Teilstrahlen 54 verwendet werden. Ferner könnten weitere ringförmige Lagen von Teilstrahlen vorgesehen sein (nicht näher dargestellt).
Die Teilstrahlen 52, 54 können jeweils aus voneinander separaten Laserlichtquellen emittiert werden. Insbesondere können die Intensitäten der Teilstrahlen 52 unabhängig von der Intensität des Teilstahls 54 eingestellt und gegebenenfalls beim Schweißen verändert werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Teilstrahlen 52 eine andere Intensität besitzt als andere der Teilstrahlen 52. Die unterschiedlichen Intensitäten der Teilstrahlen 52 können in Abhängigkeit von einer Vorschubrichtung und/oder Vorschubgeschwindigkeit verändert werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung Verfahren zum Laserschweißen, bei welchem ein Laserstrahl in seinem Zentrum eine geringere Intensität aufweist als in einem ringförmigen Bereich, welche das Zentrum umgibt. Der Laserstrahl wird auf ein erstes zu verschweißendes Bauteile gerichtet. Durch Wärmeleitung wird das Material des ersten und eines (in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem ersten Bauteil liegenden) zweiten Bauteils aufgeschmolzen. Das Intensitätsprofil mit dem zentralen Intensitätsminimum und dem ringförmigen Intensitätsmaximum verringert das Verdampfen von Material aus dem Schweißbad sowie Bewegungen im Schweißbad. Das Verschweißen erfolgt derart, dass die Tiefe der Schweißnaht höchstens so groß ist wie die Breite der Schweißnaht. Von einer freien Oberfläche abgewandt wird ein Querschnitt der Schweißnaht vorzugsweise durch einen gleichmäßig gekrümmten Bogen begrenzt.
Bezugszeichenliste

10: erstes Bauteil
12: zweites Bauteil
14: Dicke des ersten Bauteils 10
16: Dicke des zweiten Bauteils 12
18: Laserstrahl
20: Oberfläche
22: Strahldurchmesser
23: Schweißnaht
24: Laserlichtquelle
26: aktive Laserfaser
28: Aktuator
30: Intensitätsmaximum
32: Intensitätsminimum
34: Tiefe
36: Breite
38: Bogen
39: Endfläche
40: Laserlichtquellenanordnung
42: Laserfaser
44: Kernfaser
46: Ringfaser
48, 50: Laserlichtquellen
52, 54: Teilstrahlen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/150071 [0024]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen zweier, vorzugsweise metallischer, Bauteile (19, 12), wobei ein gepulster Laserstrahl (18) auf eine Oberfläche (20) des einen der Bauteile (10) gerichtet wird, sodass das Material der Bauteile (10, 12) im Bereich einer zu erstellenden Schweißnaht (23) aufgeschmolzen wird, wobei der Laserstrahl (18) ein Intensitätsprofil aufweist, das ein ringförmiges Intensitätsmaximum (30) und ein lokales Intensitätsminimum (32) in seinem Zentrum besitzt, wobei die Intensität im Intensitätsminimum (32) wenigstens 10 % kleiner ist als im Intensitätsmaximum (30), und wobei eine Tiefe (34) der erstellten Schweißnaht (23) höchstens so groß ist wie eine Breite (36) der Schweißnaht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient des Intensitätsprofils vom Intensitätsmaximum (30) nach radial außen betragsmäßig größer ist als vom Intensitätsmaximum (30) nach radial innen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (34) der Schweißnaht (23) höchstens zwei Drittel, bevorzugt höchstens die Hälfte der Breite (36) der Schweißnaht (23) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10,12) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (23) von der Oberfläche (20) abgewandt durch einen konvex gekrümmten Bogen (38) begrenzt ist, der insbesondere elliptisch, bevorzugt rund ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer eines Pulses des Laserstrahls (18) wenigstens 10 µs, bevorzugt wenigstens 20 µs, beträgt, und/oder dass die Pulsdauer höchstens 1 s, bevorzugt höchstens 0,5 s beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsenergie eines Pulses des Laserstrahls (18) wenigstens 100 mJ, bevorzugt wenigstens 200 mJ, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätsminimum über die gesamte Einschweißtiefe vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (18) mit mehreren Teilstrahlen (52, 54) gebildet ist, von denen zumindest einige entlang des ringförmigen Intensitätsmaximums (30) angeordnet sind, vorzugsweise wobei wenigstens einer der Teilstrahlen (54) im Bereich des Intensitätsminimums (32) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (52, 54) durch voneinander unabhängige Laserlichtquellen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Teilstrahlen (52, 54) unterschiedliche Laserleistungen besitzen, insbesondere dass die Laserleistungen der Teilstrahlen (52, 54) unabhängig voneinander verändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (18) von einer Laserlichtquelle (24) emittiert wird, welche eine aktive Laserfaser (26) aufweist, deren Modenfeld durch Einbringen von mechanischem Stress veränderbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (18) durch eine Laserfaser (42) mit einer Kernfaser (44) und einer Ringfaser (46) emittiert wird, vorzugsweise wobei in die Kernfaser (44) und in die Ringfaser (46) Laserlicht aus unterschiedlichen Laserlichtquellen eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (34) der Schweißnaht (23) wenigstens das 1,5-fache, bevorzugt wenigstens das Doppelte, besonders bevorzugt wenigstens das Dreifache einer Dicke (14) desjenigen Bauteils (10) beträgt, auf dessen Oberfläche (20) der Laserstrahl (18) trifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt durch den Laserstrahl (18) in zwei zueinander senkrechten Richtungen dieselbe Ausdehnung besitzt, insbesondere wobei das Intensitätsmaximum (30) kreisringförmig oder polygonal ist.