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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Blechteilen und eine Laserschweißanlage mit einer Laserstrahlquelle
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Beim Laserschweißen mit Festkörperlasern ist eine maximal schweißbare Blechdicke durch die Schmelzbaddynamik limitiert. Typischerweise liegt die Grenze der schweißbaren Blechdicke bei Stahlwerkstoffen im Bereich von 10 mm bis 15 mm. Bei dickeren Blechen sammelt sich ein Großteil der entstehenden Schmelze in Form von Tropfen an der Nahtunterseite an. Dieses Fehlerbild wird Dropping genannt. Durch eine Änderung der Prozessparameter des Laserschweißprozesses kann dieses Fehlerbild nicht eliminiert werden. Um derart dicke Bleche zu verschweißen, werden daher meist Laser-Hybrid-Schweißverfahren oder C02-Laser eingesetzt.
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Weiterhin ist aus der Praxis bekannt, dass sich die Schweißbarkeit von Werkstücken aus unterschiedlichen Chargen des nominell selben Werkstofftyps deutlich unterscheiden kann. Wenngleich die chemische Zusammensetzung der unterschiedlichen Chargen innerhalb der für den Werkstofftyp geltenden Spezifikation liegt, so zeigt sich, dass es „schlechte“ Materialchargen gibt, die wesentlich schlechter schweißbar sind als „gute“ Chargen desselben Werkstofftyps.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Anwendbarkeit von Laserschweißverfahren, insbesondere für dicke Stahlbleche, zu verbessern.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Laserschweißanlage mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen. Die jeweiligen Unteransprüche und die Beschreibung geben vorteilhafte Varianten bzw. Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Laserschweißen von Blechteilen vorgesehen. Die Blechteile können aus Stahl bestehen, insbesondere aus niedriglegiertem Stahl (Massenanteil aller Legierungselemente zusammen maximal 5 %). Unter einem Blechteil wird insbesondere ein Bauteil verstanden, dessen Abmaße in zu einer Dickenrichtung orthogonalen Richtungen wesentlich größer sind als eine Dicke in der Dickenrichtung. Insbesondere können die zur Dickenrichtung senkrechten Abmaße wenigstens 5-mal, typischerweise wenigstens 10-mal, so groß sein wie die Dicke.
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Die Blechteile werden zunächst aneinander angeordnet, sodass sie unter Ausbildung eines Fügespalts aneinander stoßen. Der Fügespalt kann ein Nullspalt sein; d. h. die Blechteile können einander am Fügespalt durchgängig berühren. Alternativ kann der Fügespalt durchgängig eine endliche Spaltbreite besitzen; d. h. die Blechteile können am Fügespalt durchgängig voneinander beabstandet sein, ohne einander zu berühren. Ferner können die Blechteile einander am Fügespalt bereichsweise berühren und bereichsweise voneinander beabstandet sein. Der Fügespalt verläuft typischerweise in der Dickenrichtung zumindest eines der Blechteile, insbesondere beider Blechteile.
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Erfindungsgemäß wird an dem Fügespalt zwischen den Blechteilen ein graphithaltiger Zusatzwerkstoff aufgebracht. Ein Massenanteil von Graphit im Zusatzwerkstoff beträgt typischerweise wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 %, besonders bevorzugt wenigstens 70 %. Das Aufbringen des Zusatzwerkstoffs kann manuell oder maschinell erfolgen.
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Sodann wird ein Laserstrahl auf den Fügespalt gerichtet, sodass die Blechteile miteinander verschweißt werden. Mit anderen Worten wird zum Verschweißen der Blechteile der Laserstrahl auf den Bereich des Fügespalts mit dem Zusatzwerkstoff gerichtet. Hierdurch können die Blechteile und der graphithaltige Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen werden, sodass nach Erstarren eine die Blechteile verbindende Schweißnaht entsteht, in welcher das Graphit des Zusatzwerkstoffs aufgenommen ist. Das Graphit des Zusatzwerkstoffs verändert - gegenüber einem Schweißvorgang ohne den Zusatzwerkstoff - die Dynamik und das Erstarrungsverhalten der Schmelze. Insbesondere wird dadurch das sogenannte Dropping beim Verschweißen dicker Bleche vermieden oder zumindest verringert. Ferner hat sich gezeigt, dass durch die Zugabe des graphithaltigen Zusatzwerkstoffs die Schweißbarkeit von Blechteilen aus eingangs beschriebenen „schlechten“ Werkstoffchargen verbessert wird.
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Der Laserstrahl kann von einem Festkörperlaser emittiert werden. Der Festkörperlaser kann ein Scheibenlaser sein. Eine Laserleistung des Laserstrahls kann wenigstens 6 kW, vorzugsweise wenigstens 8 kW, besonders bevorzugt wenigstens 10 kW, betragen. Ein Fokusdurchmesser des Laserstrahls kann wenigstens 175 µm, bevorzugt wenigstens 250 µm, betragen. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls kann höchstens 425 µm, bevorzugt höchstens 350 µm, betragen. Insbesondere kann der Fokusdurchmesser des Laserstrahls ca. 300 µm (z.B. +/-10 µm) betragen. Eine Vorschubgeschwindigkeit für den Laserstrahl kann wenigstens 0,6 m/min, bevorzugt wenigstens 0,8 m/min, betragen. Die Vorschubgeschwindigkeit für den Laserstrahl kann höchstens 1,4 m/min, bevorzugt höchstens 1,2 m/min, betragen. Insbesondere kann die Vorschubgeschwindigkeit für den Laserstrahl ca. 1 m/min (z.B. +/-0,05 m/min) betragen.
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Das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren kann mit einer unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Laserschweißanlage durchgeführt werden.
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Die Blechteile können am Fügespalt stumpf aneinander stoßen. Mithin wird eine Stumpfnaht an einem Stumpfstoß der Blechteile geschweißt. Der Fügespalt verläuft hierbei in der Dickenrichtung beider Blechteile. Bei Stumpfnähten ist das Problem des Dropping bzw. dessen Vermeidung durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatzwerkstoff besonders relevant.
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Der Fügespalt kann eine vertikale Erstreckung besitzen. Bei diesem Verlauf des Fügespalts ist das Problem des Dropping besonders kritisch. Unter der Erstreckung des Fügespalts wird dessen Verlauf senkrecht zur Spaltbreite verstanden. Bei einem vertikal verlaufenden Stumpfstoß erstrecken sich die Bleche mithin horizontal vom Fügespalt weg. Richtungsangaben wie vertikal, horizontal und oben beziehen sich auf das Schwerefeld der Erde.
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Vorzugsweise wird der graphithaltige Zusatzwerkstoff oben am Fügespalt aufgebracht. Die Wirkung der Schwerkraft unterstützt dabei das Anordnen des Zusatzwerkstoffs am Fügespalt sowie dessen Eintrag in das Schmelzbad.
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Vorzugsweise wird der graphithaltige Zusatzwerkstoff unmittelbar von dem Laserstrahl erfasst. Der Laserstrahl wird mit anderen Worten auf den aufgebrachten Zusatzwerkstoff gerichtet. Dadurch kann ein rasches Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs sichergestellt werden. Daneben kann der Laserstrahl auch auf Oberflächenabschnitte der Blechteile gerichtet werden. D. h. die Blechteile können angrenzend an den Fügespalt unmittelbar von dem Laserstrahl erfasst werden.
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Vorteilhafterweise wird der graphithaltige Zusatzwerkstoff zwischen die Blechteile in den Fügespalt eingebracht. Der Fügespalt besitzt hierzu zumindest bereichsweise eine endliche Spaltbreite. Wenn der Zusatzwerkstoff bereits vor dem Aufschmelzen im Fügespalt angeordnet ist, kann er beim Verschweißen sofort im Schmelzbad wirksam werden. Zudem kann dadurch eine besonders homogene Verteilung des Zusatzwerkstoffs über der Höhe des Fügespalts erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der graphithaltige Zusatzwerkstoff angrenzend an den Fügespalt auf die Bleche aufgebracht werden, insbesondere wenn der Fügespalt zumindest bereichsweise eine verschwindende Spaltbreite aufweist. Der Zusatzwerkstoff wird dann beim Aufschmelzen der Bleche im Bereich des Fügespalts mit in das entstehende Schmelzbad aufgenommen.
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Am Fügespalt kann zumindest eines der Blechteile eine Fase aufweisen. Vorzugsweise weisen beide Blechteile je eine Fase auf. Der graphithaltige Zusatzwerkstoff wird dann typischerweise im Bereich der Fase(n) in den Fügespalt eingebracht und kann den Bereich der Fase(n) komplett ausfüllen. Durch die Fase(n) wird das Aufbringen des Zusatzwerkstoffs erleichtert. Ferner kann durch die Fase(n) das Eindringen des Laserstrahls in die Tiefe des Fügespalts verbessert werden.
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Vorzugsweise enthält der graphithaltige Zusatzwerkstoff eine Metallkomponente. Insbesondere bei niedriglegierten Stählen kann ein zu hoher Anteil von Kohlenstoff die Aufhärtung und Rissneigung steigern. Durch die Metallkomponente kann dies vermieden werden, ohne die vorteilhaften Wirkungen des Graphits des Zusatzwerkstoffs zu verlieren. Ein Massenanteil der Metallkomponente im Zusatzwerkstoff beträgt typischerweise wenigstens 5 %, bevorzugt wenigstens 10 %, besonders bevorzugt wenigstens 20 %. Die Metallkomponente kann mehrere Metalle enthalten, insbesondere Eisen und/oder Legierungselemente der Werkstoffe der Blechteile. Die Metallkomponente kann beispielsweise Chrom, Nickel, Molybdän, Mangan, Vanadium, Wolfram, Aluminium, Niob, Titan, Kobalt, Kupfer, Beryllium, Tantal, Zinn und/oder Zink enthalten. Insbesondere ein Anteil von Mangan in dem Zusatzwerkstoff hat sich als vorteilhaft erwiesen. Die Metallkomponente kann Halbmetalle, beispielsweise Silicium, enthalten.
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Besonders bevorzugt liegt der graphithaltige Zusatzwerkstoff pulverförmig vor. Mit anderen Worten kann der graphithaltige Zusatzwerkstoff ein Pulver sein. Das Pulver kann auch als ein Schüttgut bezeichnet werden. Das Pulver kann Graphit in Form von Körnern bzw. Partikeln enthalten. Insbesondere kann das Pulver auch Metallpartikel enthalten. Ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff kann besonders einfach aufgebracht werden, insbesondere automatisch. Zum Aufbringen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs kann eine Düse eingesetzt werden.
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Alternativ kann der graphithaltige Zusatzwerkstoff bandförmig vorliegen. Mit anderen Worten kann der graphithaltige Zusatzwerkstoff ein Band sein. Durch ein solches Band kann das Anordnen des graphithaltigen Zusatzwerkstoffs am Fügespalt vereinfacht werden, wenn sich der Fügespalt horizontal erstreckt oder der Zusatzwerkstoff unten am Fügespalt aufgebracht werden soll.
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Eine Dicke der Blechteile kann wenigstens 10 mm, bevorzugt wenigstens 15 mm, besonders bevorzugt wenigstens 20 mm, ganz besonders bevorzugt wenigstens 25 mm betragen. Durch den graphithaltigen Zusatzwerkstoff sind derart dicke Bleche auch mit Festkörperlasern schweißbar.
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Vorzugsweise ist der graphithaltige Zusatzwerkstoff frei von Fetten und fetten Ölen. Ein solcher Zusatzwerkstoff ist zum Verbessern der Schweißbarkeit besonders wirksam. Als frei von Fetten und fetten Ölen wird insbesondere ein Zusatzwerkstoff angesehen, bei dem ein Massenanteil von Triglyceriden höchstens 0,1 %, bevorzugt höchstens 0,01 %, besonders bevorzugt höchstens 0,001 %, beträgt.
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ferner eine Laserschweißanlage. Die Laserschweißanlage weist eine Laserstrahlquelle auf. Die Laserstrahlquelle ist vorzugsweise ein Festkörperlaser, insbesondere ein Scheibenlaser. Die Laserstrahlquelle kann zum Aussenden eines Laserstrahls mit den oben angegebenen Parametern eingerichtet sein. Erfindungsgemäß weist die Laserschweißanlage eine Auftragevorrichtung zum Aufbringen von graphithaltigem Zusatzwerkstoff an einem Fügespalt zwischen zu verschweißenden Blechteilen auf. Die Laserschweißanlage ermöglicht die Durchführung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorzugsweise wird die Laserschweißanlage zum Durchführen des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet. Die Laserschweißanlage kann eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlquelle und die Auftragevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusteuern.
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Vorzugsweise weist die Auftragevorrichtung einen Vorratsbehälter für pulverförmigen Zusatzwerkstoff und eine Düse auf. Die Düse ermöglicht es, pulverförmigen Zusatzwerkstoff aus dem Vorratsbehälter automatisch an dem Fügespalt aufzubringen. Eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Förderschnecke oder ein Gebläse, kann den Zusatzwerkstoff aus dem Vorratsbehälter zu der Düse fördern.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus 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.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 zwei miteinander zu verschweißende Blechteile, die jeweils eine Fase aufweisen, in einer schematischen Seitenansicht;
- 2 die stumpf aneinander stoßenden Blechteile von 1, wobei im Bereich der Fasen ein graphithaltiger Zusatzwerkstoff zwischen die Blechteile eingebracht ist, während des Verschweißens der beiden Blechteile mittels eines Laserstrahls, in einer schematischen Seitenansicht;
- 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens;
- 4 eine erfindungsgemäße Laserschweißanlage mit einer Laserstrahlquelle und einer Auftragevorrichtung, welche einen Vorratsbehälter für pulverförmigen Zusatzwerkstoff und eine Düse aufweist, in einer schematischen Aufsicht.
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1 zeigt zwei miteinander zu verschweißende Blechteile 10. Die Blechteile 10 können aus einem niedrigregierten Stahl bestehen. Die Blechteile 10 weisen jeweils eine Dicke 18 auf. Vorliegend sind beide Blechteile 10 gleich dick. Die Dicke 18 der Blechteile 10 kann 30 mm betragen. In zu der dicken Richtung senkrechten Richtungen sind Abmessungen der Blechteile 10 um ein Vielfaches größer als die Dicke 18.
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An miteinander zu verschweißenden Kanten 30 weisen die beiden Blechteile 10 jeweils eine Fase 19 auf. In 1 sind die Blechteile 10 voneinander beabstandet angeordnet.
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2 zeigt die Blechteile 10 von 1 während des Schweißvorgangs. Der Ablauf des Schweißverfahrens ist in 3 skizziert.
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In einem ersten Schritt 102 werden die beiden Blechteile 10 aneinander angeordnet, sodass zwischen ihnen ein Fügespalt 12 ausgebildet wird. Der Fügespalt 12 verläuft zwischen den miteinander zu verschweißenden Kanten 30 der Blechteile 10. Vorliegend erstreckt sich der Fügespalt 12 in vertikaler Richtung, d. h. parallel zur Richtung der Schwerkraft g. Die Blechteile 10 stoßen am Fügespalt 12 stumpf gegeneinander. In einem unteren Abschnitt des Fügespalts 12 können die Blechteile 10 einander berühren. Im Bereich der Fasen 19 besitzt der Fügespalt 12 eine endliche Breite.
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In einem Schritt 104 wird ein graphithaltiger Zusatzwerkstoff 14 an dem Fügespalt 12 aufgebracht. Vorliegend wird der Zusatzwerkstoff 14 im Bereich der Fasen 19 in den Fügespalt 12 eingebracht. Der Zusatzwerkstoff 14 befindet sich oben am Fügespalt 12 zwischen den beiden Blechteilen 10.
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Der Zusatzwerkstoff 14 ist ein Pulver. Der pulverförmige Zusatzwerkstoff 14 kann neben Graphit eine Metallkomponente enthalten. Hier enthält der Zusatzwerkstoff 14 Graphitpulver mit einem Massenanteil von 80 % an der Gesamtmasse des Zusatzwerkstoffs 14. Ferner enthält der Zusatzwerkstoff 14 beispielsweise Manganpulver in einem Massenanteil von 20 %. Der Zusatzwerkstoff ist frei von Fetten und fetten Ölen; ein Massenanteil von Triglyceriden beträgt hier weniger als 0,05 %.
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Schließlich werden in einem Schritt 106 die beiden Blechteile 10 miteinander verschweißt. Hierzu wird ein Laserstrahl 16 auf den Fügespalt 12 gerichtet. Der Laserstrahl 16 kann von einem Festkörperlaser abgegeben werden.
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Der Laserstrahl 16 trifft hier unmittelbar auf den im Bereich der Fasen 19 im Fügespalt 12 angeordneten Zusatzwerkstoff 14. Ferner trifft der Laserstrahl 16 angrenzend an den Fügespalt 12 unmittelbar auf die beiden Blechteile 10. Das Material der Blechteile 10 sowie der Zusatzwerkstoff 14 werden durch den Laserstrahl 16 aufgeschmolzen. Der Laserstrahl 16 wird entlang des Fügespalts 12 bewegt. In der Folge erstarrt das aufgeschmolzene Material unter Ausbildung einer Schweißnaht. Das Material des Zusatzwerkstoffs 14 wird in der Schweißnaht aufgenommen.
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4 zeigt eine Laserschweißanlage 20. Das zuvor beschriebene Laserschweißverfahren kann mit der Laserschweißanlage 20 von 4 durchgeführt werden.
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Die Laserschweißanlage 20 weist eine Laserstrahlquelle 22 auf. Die Laserstrahlquelle 22 kann ein Festkörperlaser sein. Die Laserstrahlquelle 22 kann relativ zu einem Werkstücktisch 32 beweglich sein. Alternativ kann (insbesondere wenn die Laserstrahlquelle 22 selbst unbeweglich angeordnet ist) eine Optik zum Bewegen eines Fokuspunkts des Laserstrahls 16 über dem Werkstücktisch 32 vorgesehen sein (nicht näher dargestellt).
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Die Blechteile 10 sind auf dem Werkstücktisch 32 angeordnet. Typischerweise sind die Blechteile 10 an dem Werkstücktisch 32 gehalten.
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Die Laserschweißanlage 20 weist ferner eine Auftragevorrichtung 24 auf. Die Auftragevorrichtung 24 ermöglicht es, graphithaltigen Zusatzwerkstoff 14 im Bereich des Fügespalts 12 auf bzw. zwischen die Blechteile 10 zu verbringen.
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Die Auftragevorrichtung 24 weist hier einen Vorratsbehälter 26 auf. Der Vorratsbehälter 26 ist in 4 der Übersichtlichkeit halber in die Horizontale (die Ebene des Werkstücktisches 32) gekippt dargestellt. Der Vorratsbehälter 26 enthält pulverförmigen Zusatzwerkstoff 14. Die Auftragevorrichtung 24 weist ferner eine Düse 28 auf. Die Düse 28 ermöglicht es, den Zusatzwerkstoff 14 gezielt und dosiert am Fügespalt 12 aufzubringen. Die Düse 28 ist relativ zu dem Werkstücktisch 32 beweglich. Die Düse 28 ist über eine Leitung 34 mit dem Vorratsbehälter 26 verbunden. Eine nicht näher dargestellte Fördereinrichtung der Auftragevorrichtung 24 kann den Zusatzwerkstoff 14 aus dem Vorratsbehälter 26 zu der Düse 28 fördern.
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Eine nicht näher dargestellte Steuereinrichtung der Laserschweißanlage 20 ist dazu eingerichtet, die Laserstrahlquelle 22 und die Auftragevorrichtung 24 zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte 104 und 106 anzusteuern.
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Die Laserschweißanlage 20 kann weiterhin eine nicht näher dargestellte Handhabungseinrichtung aufweisen, um die Blechteile 10 unter Ausbildung des Fügespalts 12 auf dem Werkstücktisch 32 anzuordnen. Die Steuereinrichtung kann dann auch dazu eingerichtet sein, die Handhabungseinrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrensschritts 102 anzusteuern.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Laserschweißverfahren, bei welchem ein Zusatzwerkstoff in eine Schweißnaht mit eingeschmolzen wird. Der Zusatzwerkstoff enthält Kohlenstoff und vorzugsweise eine Metallkomponente. Vor dem Verschweißen wird der Zusatzwerkstoff im Bereich eines Fügespalts angeordnet. Der Zusatzwerkstoff kann ein Pulver sein. Zum Auftragen des Zusatzwerkstoffs kann eine Düse verwendet werden. Zum Schweißen kann ein Festkörperlaser eingesetzt werden. Der Zusatzwerkstoff verbessert die Schweißbarkeit, insbesondere im Hinblick auf die maximal mögliche Dicke von zu verschweißenden Bauteilen. Ferner kann der Zusatzwerkstoff die Steuerung des Schweißvorgangs, beispielsweise im Hinblick auf einzuhaltende Parameter des Schweißvorgangs oder der zu verschweißenden Bauteile, vereinfachen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Blechteile
- 12
- Fügespalt
- 14
- Zusatzwerkstoff
- 16
- Laserstrahl
- 18
- Dicke
- 19
- Fase
- 20
- Laserschweißanlage
- 22
- Laserstrahlquelle
- 24
- Auftragevorrichtung
- 26
- Vorratsbehälter
- 28
- Düse
- 30
- Kanten
- 32
- Werkstücktisch
- 34
- Leitung
- 102
- Anordnen der Blechteile 10
- 104
- Aufbringen von Zusatzwerkstoff 14
- 106
- Verschweißen
