DE102022002630A1

DE102022002630A1 - Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE102022002630A1
Application number: DE102022002630.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens; Andreas Heinz; Mauricio Kaiser
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2042-07-19
Also published as: DE102022002630B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zum Fügen von zumindest zwei aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen und/oder Legierungen gebildeten Bauteilen (1, 2). Erfindungsgemäß wird ein gerader hohlkegelstumpfförmiger, sich in Richtung eines Auftreffpunkts verjüngender Laserstrahl (L) auf zumindest ein dem Laserstrahl (L) zugewandtes Bauteil (1) emittiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der WO 2009 021 716 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen aus ungleichartigen metallischen Werkstoffen mittels Laserstrahlung durch Ausbilden einer Schweißnaht entlang einer Hauptbahn oder eines Schweißpunkts an einer festen Hauptposition im Bereich einer Fügekante bekannt. Dabei wird die Laserstrahlung in einer Wechselwirkungszone teilweise absorbiert und bildet ein Schmelzbad aus. Ein Teil der Fügekante wird von dem Schmelzbad erfasst. Dieser Teil bildet nach einem Erstarren der Schmelze einen tragenden Querschnitt. Die Laserstrahlung wird entlang der Fügekante auf einen kleinen Strahlquerschnitt, mit einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Flächennormalen der Materialoberfläche, fokussiert. Eine aus der Fokussierung resultierende Strahltaille oder ein kleinster Durchmesser des Laserstrahls der fokussierten Laserstrahlung wird im Bereich der sich ausbildenden Wechselwirkungszone von Laserstrahlung und Material entlang der Fügekante des Materials gehalten. Das Verfahren kommt dann zur Anwendung, wenn beim Laserschweißen ein Durchmesser des Laserstrahls und ein resultierender Durchmesser von Schweißkapillaren kleiner eingestellt werden kann als der erforderliche tragende Querschnitt der Schweißnaht. Zusätzlich zu der Bewegung entlang der Hauptbahn bei einem Nahtschweißen oder zusätzlich zu einer festen Hauptposition bei einem Punktschweißen und einer Hauptrichtung der Laserstrahlachse relativ zur Oberflächennormalen eines Werkstücks werden als Parameter eine Leistung des Laserstrahls, eine Richtung des Laserstrahls relativ zur Hauptrichtung und eine Position des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstoffs relativ zu den Positionen entlang der Hauptbahn bzw. zur Hauptposition derart eingestellt, dass die Schweißkapillare unabhängig von der Hauptbahn mit veränderlicher Tiefe relativ zu einer Materialdicke, mit veränderlicher Richtung relativ zur Hauptrichtung und mit veränderlicher Position entlang einer Nebenbahn derart geführt werden, dass eine geometrische Form des Schmelzbades und eine geometrische Form des resultierenden Nahtquerschnitts erreicht wird. Diese geometrischen Formen sind in Abhängigkeit von einer Stoßart, lokalen Bauteilabmessungen entlang der Hauptbahn und resultierenden Eigenspannungen im Bauteil entlang der Hauptbahn vorbestimmt. Als weiterer Parameter wird ein Radius des Laserstrahls relativ zur gewünschten Breite der Schweißnaht oder des Schweißpunkts derart eingestellt, dass ein Verhältnis der Durchmesser von Schweißnaht und Schweißkapillare oder der Durchmesser von Schweißpunkt und Schweißkapillare eine Mindestgröße überschreitet, welche durch eine resultierende maximal zulässige Geschwindigkeit der Schmelze, mit der die Ausbildung von Schweißdefekten einsetzt, vorbestimmt ist.
Weiterhin ist aus der DE 10 2021 000 237 A1 ein Schweißverfahren zum Verbinden von zwei aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen oder Legierungen bestehenden Bauteilen bekannt, bei welchem ein Laserstrahl pendelnd entlang einer Schweißnaht geführt wird. Der Laserstrahl führt auf der linearen Schweißnaht eine die Schweißnaht überlagernde Strahlpendelbewegung ohne lateralen Versatz aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Laserschweißverfahren anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserschweißverfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In dem Laserschweißverfahren zum Fügen von zumindest zwei aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen und/oder Legierungen gebildeten Bauteilen wird erfindungsgemäß ein gerader hohlkegelstumpfförmiger, sich in Richtung eines Auftreffpunkts verjüngender Laserstrahl auf zumindest ein dem Laserstrahl zugewandtes Bauteil emittiert.
Das Laserschweißen einer Verbindung aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen und/oder Legierungen kann zu Rissen in einer erstarrten Schweißnaht führen. Mittels des vorliegenden Verfahrens kann aufgrund der hohlkegelstumpfförmigen Ausbildung des Laserstrahls an einer Fügestelle in einer Schmelze der unterschiedlichen metallischen Werkstoffe und/oder Legierungen eine verbesserte Durchmischung der Werkstoffe und/oder Legierungen erzielt werden. Aufgrund dieser verbesserten Durchmischung können insbesondere spröde intermetallische Phasen, welche Risse in einer Schweißverbindung verursachen, vermieden oder zumindest verringert werden. Dies ermöglicht, dass beispielsweise auch Mischverbindungen aus Kupfer und Aluminium lasergeschweißt werden können. Aufgrund der Verringerung von Sprödphasen und Rissen können eine mechanische Verbindungsfestigkeit zwischen den Bauteilen erhöht und ein elektrischer Widerstand zwischen den Bauteilen verringert werden, was insbesondere bei elektrischen Verbindungen von Bauteilen sehr vorteilhaft ist. Somit ist das Verfahren auch zur Herstellung von elektrischen Kontaktierungen von stromtragenden Bauteilen geeignet.
Durch einen aus dem sich verjüngenden hohlkegelstumpfförmigen Verlauf des Laserstrahls resultierenden Einfallswinkel desselben kann eine Senkrechtstellung einer Schweißoptik ohne Rückreflexionen von dem zugewandten Bauteil erreicht werden, während bei einer Verwendung eines nicht näher dargestellten konventionellen Laserstrahls dieser stets lateral, schleppend und/oder stechend angeordnet werden muss. Mittels des hohlkegelstumpfförmigen Laserstrahls können hierbei eine Schmelzbadausprägung und Schmelzbadströmung begünstigt werden.
Eine Formung des Laserstrahls ist dabei besonders einfach über konventionell erhältliche optische Elemente umsetzbar, so dass das Verfahren aufgrund verfügbarer Komponenten zur Strahlformung und Anlagentechnik einfach und mit geringem Kostenaufwand in bereits bestehende und neu zu errichtende Produktionsanlagen integriert werden kann.
Somit kann mittels des Verfahrens in einfacher und kostengünstiger Weise eine Qualität eines die Bauteile umfassenden Produkts erhöht werden und ein Ausschuss kann verringert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine perspektivische Ansicht von zwei Bauteilen während einer Laserverschweißung,
2 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Bauteils im Bereich einer Schweißnaht und
3 schematisch einen Querschnitt von zwei verschweißten Bauteilen.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Bauteilen 1, 2 während einer Laserschweißung sowie ein Koordinatensystem mit den Achsen x, y, z dargestellt. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen können auch mehr als zwei Bauteile 1, 2 miteinander verschweißt werden.
Die Bauteile 1, 2 sind insbesondere aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen und/oder Legierungen gebildet.
Zu einer Verschweißung der beiden Bauteile 1, 2 wird ein Laserstrahl L auf eine Oberfläche des Bauteils 1 emittiert und mit einer Geschwindigkeit v entlang einer Bahn derart bewegt, dass eine Schweißnaht S erzeugt wird.
Um eine für das Laserschweißen günstige Durchmischung der Werkstoffe der Bauteile 1, 2 im Fügebereich zu realisieren, wird der Laserstrahl L als gerader hohlkegelstumpfförmiger, sich in Richtung eines Auftreffpunkts verjüngender Laserstrahl L auf das dem Laserstrahl L zugewandte Bauteil 1 emittiert. Dabei verläuft eine Strahlachse A des kegelstumpfförmigen Laserstrahls L insbesondere senkrecht zur Oberfläche des zugewandten Bauteils 1.
Der Hohlkegel weist dabei einen halben Öffnungswinkel ε, insbesondere in einem Bereich von 1,5 ° bis 45 °, auf und verursacht dadurch beim Schweißen der beiden unterschiedlichen Werkstoffe in überlappender Anordnung eine günstige Durchmischung einer erzeugten Schmelze, welche kaum intermetallische Phasen aufweist. Daraus resultiert eine Schweißnaht S, welche rissfrei ist oder in welcher Risse zumindest minimiert sind.
Bei der Erzeugung der Schweißnaht S werden die Geschwindigkeit v der Bewegung und/oder eine Leistung des Laserstrahls L derart gewählt, dass eine in 3 näher dargestellte vorgegebene Einschweißtiefe ET in die Bauteile 1, 2 erreicht wird.
Insbesondere erfolgt eine Abstimmung der Leistung gemeinsam mit der Geschwindigkeit v. Die Einstellung dieser beiden Parameter erfolgt dabei insbesondere derart, dass eine definierte Einschweißtiefe ET nicht überschritten wird und so Mischungsanteile der beiden überlappenden Werkstoffe der Bauteile 1, 2 gesteuert werden können. Beispielsweise wird die Geschwindigkeit v in einem Bereich von 0,5 m/min bis 100 m/min gewählt. Die Leistung des Laserstrahls L beträgt insbesondere mindestens 250 W.
2 zeigt eine beispielhafte Draufsicht eines Ausschnitts einer Oberfläche des Bauteils 1 im Bereich der Schweißnaht S.
In 3 ist ein beispielhafter Querschnitt von zwei mittels eines hohlkegelstumpfförmigen Laserstrahls L verschweißten Bauteilen 1, 2, insbesondere der Bauteile 1, 2 gemäß 1, dargestellt.
Die Einschweißtiefe ET ergibt sich dabei beispielsweise gemäß $ET \leq t_{O} + 0,9 * t_{U}, {f \ddot{u} r t}_{O} \geq 0,25 * t_{U}$
in Abhängigkeit einer Dicke to des zugewandten oberen Bauteils 1 und einer Dicke tu des abgewandten unteren Bauteils 2.
Die Darstellung verdeutlicht insbesondere eine rissfreie Ausbildung der Schweißnaht S.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009021716 A1 [0002]
DE 102021000237 A1 [0003]

Claims

Laserschweißverfahren zum Fügen von zumindest zwei aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen und/oder Legierungen gebildeten Bauteilen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass ein gerader hohlkegelstumpfförmiger, sich in Richtung eines Auftreffpunkts verjüngender Laserstrahl (L) auf zumindest ein dem Laserstrahl (L) zugewandtes Bauteil (1) emittiert wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein halber Öffnungswinkel (ε) des Laserstrahls (L) in einem Bereich von 1,5 ° bis 45 ° gewählt wird.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) in einer Bewegung entlang einer Bahn auf dem zugewandten Bauteil (1) geführt wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeit (v) der Bewegung derart gewählt wird, dass eine vorgegebene Einschweißtiefe (ET) in die Bauteile (1, 2) erreicht wird.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistung des Laserstrahls (L) derart gewählt wird, dass eine vorgegebene Einschweißtiefe (ET) in die Bauteile (1, 2) erreicht wird.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) derart emittiert wird, dass eine Strahlachse (A) des Laserstrahls (L) senkrecht auf das zugewandte Bauteil (1) trifft.
Laserschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Laserstrahls (L) am Auftreffpunkt durch Variation eines Abstands eines Laseremitters zur Fügestelle eingestellt wird.