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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Blechen mit Beschichtungen, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfassen.
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EP 0 327 320 A1 betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Blechen, bei dem in der Schweißnaht ein Ausgasungsweg für die beim Schweißen entstehenden Gase gebildet wird.
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US 10 118 249 B2 offenbart ein Verfahren zum Schweißen von zwei Blechen, bei dem ein Laserstrahl entlang eines schraubenlinienförmigen Weges auf den Blechen geführt wird, um eine für eine glatte Schweißnaht geeignete Wärmeverteilung zu erreichen.
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US 2020/0047285 A1 betrifft ein Verfahren zum Schweißen von zwei sich überlappenden Blechen, bei dem zur Verbesserung eines Ausgasungsprozesses in den Blechen, insbesondere von Zink, ein vorläufiges Schmelzbad durch einen Laserstrahl mit relativ geringer Leistungsdichte erzeugt wird. Anschließend wird ein Laserstrahl mit höherer Leistungsdichte eingesetzt, um ein Hauptschmelzbad mit größerer Ausdehnung zu erzeugen.
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US 2020/0171603A1 beschreibt ein Verfahren zum Schweißen von zwei Blechen in einem Stapel von Blechen, bei dem ein Laserstrahl entlang eines ersten Weges in einer ersten Richtung und dann entlang eines zweiten Weges in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung geführt wird, wobei sich der erste Weg und der zweite Weg überlappen. Die wiederholte Bestrahlung des Schweißweges verringert die beim Schweißen entstehenden Fehler.
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US 2020/0254562A1 offenbart ein Verfahren zum Schweißen von Blechen unter Verwendung eines zentralen Laserstrahls und eines ringförmigen konzentrischen Laserstrahls, wobei der ringförmige konzentrische Laserstrahl den zentralen Laserstrahl in radialer Richtung umgibt. Der ringförmige konzentrische Laserstrahl und der zentrale Laserstrahl haben unterschiedliche Leistungsdichten, die variiert werden, um eine Glättung des Schweißbereichs zu erreichen.
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Ziel der Erfindung
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Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur weiteren Reduzierung von Fehlern beim Schweißen von zwei Blechen durch einen Laserstrahl bereitzustellen, insbesondere von Fehlern, die durch eine Beschichtung auf den Blechen verursacht werden, wobei die Beschichtung eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfasst.
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Beschreibung der Erfindung
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Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen eines ersten Blechs mit einer ersten Schweißfläche und eines zweiten Blechs mit einer zweiten Schweißfläche, wobei das erste Blech auf der ersten Schweißfläche eine Beschichtung aufweist, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfasst;
- b) Bestrahlung der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche mit einem Laserstrahl, wobei der Laserstrahl einen inneren Kern und einen äußeren Ring hat, deren Intensitätsprofile unterschiedlich sind,
wobei der Laserstrahl mit einer Taumelbewegung in einer Vorschubrichtung entlang einer imaginären Vorschublinie und senkrecht zur Vorschublinie bewegt wird,
wobei der Weg des Laserstrahls entlang der Vorschublinie eine periodische Form hat, wobei die Breite des Weges senkrecht zur Vorschublinie größer ist als die Länge der Periode des Weges entlang der Vorschublinie.
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Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für Fahrzeugkarosseriebleche, die zu einem gewissen Anteil aus kaltverformten Standardstählen oder Stählen der 3. Generation bestehen. Die Oberfläche ist mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfasst. Vor dem Laserschweißen muss diese Beschichtung im Schweißbereich entfernt werden, um Schweißrisse zu vermeiden.
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Typischerweise entsteht ein gewisses Rissrisiko, wenn vergleichsweise große Mengen des Aluminiums und/oder des Siliziums (aus der Beschichtung) lokal mit dem geschmolzenen Stahl verschmelzen. Dies führt zu intermetallischen Phasen. Diese Phasen führen zur Versprödung des Basismaterials und damit zu Rissen in den Nähten. Diese Rissereignisse können sofort oder mit zeitlicher Verzögerung auftreten.
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Allgemeiner ausgedrückt, betrifft die Erfindung das Schweißen von zumindest teilweise beschichteten Blechen, die Metall, vorzugsweise Stahl, enthalten. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Schweißen von Blechen mit einer Beschichtung auf einer oder beiden Seiten des Blechs, wobei die Beschichtung eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfasst.
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Die Tatsache, dass die Breite des Weges des Laserstrahls, der für das Schweißen senkrecht zur Vorschublinie verwendet wird, größer ist als die Länge der Periode des Weges entlang der Vorschublinie, ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf den Schweißflächen. Dadurch wird eine gleichmäßige Diffusion des Aluminiums und des Siliziums aus der Beschichtung in das Material des Blechs gefördert, wodurch Fehler in der Schweißnaht der Bleche verhindert oder zumindest verringert werden.
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Die Strahlformung, bei der ein Laserstrahl einen inneren Kern und einen äußeren Ring mit unterschiedlichen Intensitätsprofilen aufweist, verringert das Risiko von Spritzern beim Schweißen und verbessert dadurch auch die Qualität der Schweißnaht der Bleche. Die Intensitätsprofile des inneren Kerns und des äußeren Rings des Laserstrahls können während des Schweißvorgangs verändert werden, um die vom Laserstrahl erzeugte Wärmeverteilung an lokale Veränderungen des Blechs auf dem Weg des Laserstrahls anzupassen, der insbesondere den Schweißweg beim Schweißvorgang definiert.
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Vorteilhaft ist, dass die Schweißstrategie durch Taumeln so gestaltet werden kann, dass der Schweißvorgang eine gewisse Spaltüberbrückungsfähigkeit aufweist. Dies ist möglich durch die Aufweitung der Schmelzzone durch Oszillation des Laserstrahls in harmonischen Mustern in Quer- und Längsrichtung von einem Mittelpunkt der Laserstrahlachse aus, insbesondere einer nominellen Laserstrahlachse.
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Die Schweißstrategie durch Taumeln ist so ausgelegt, dass die sich ergebende Schweißgeschwindigkeit eine Erwärmung der Elemente der Korrosionsschutzschicht bis zum Verdampfen dieser Elemente ermöglicht, während das Stahlvolumen unter dem heißen Beschichtungsabschnitt noch fest ist. Dies ermöglicht die Diffusion der geschmolzenen Elemente aus der Beschichtung in das Material der Platte.
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In einigen Ausführungsformen betrifft die Erfindung das Schweißen von mindestens zwei Blechen in einer Überlappungssituation, wobei die Schweißnaht als partielle Durchschweißung oder als Wurzelschweißung, eine sogenannte vollständige Durchschweißung, ausgeführt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Schweißtechnologie mit Strahlformung verwendet werden, bei der der Laserstrahl nicht den typischerweise verwendeten Gaußschen oder zylinderförmigen Intensitätsprofilen entspricht.
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In einigen Ausführungsformen betrifft die Erfindung die Verwendung einer 2in1-Fasertechnologie, wobei die optische Faser eine Strahlführungsfaser oder eine optische Faser als Teil einer Faserlaserquelle ist. Die Faserdurchmesser sind Kern/Ring = 50 µm/200 µm oder 100 µm/400 µm oder 200 µm/700 µm. Die Faser kann auch aus mehr als zwei Abschnitten bestehen, insbesondere dem inneren Kern (Abschnitt) und mindestens zwei Ringen (Abschnitten), die konzentrisch um den inneren Kern angeordnet sind.
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Insbesondere gilt für das Strahlparameterprodukt BPP des Laserstrahls in der Kernfaser: BPP > 1 mm*mrad und BPP < 12 mm*mrad, vorzugsweise BPP > 1,8 mm*mrad und BPP < 8 mm*mrad, insbesondere BPP ≥ 2 mm*mrad und BPP ≤ 4 mm*mrad.
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Vorzugsweise liegt die Laserleistung im Bereich von 1 kW bis 24 kW und insbesondere im Bereich von 4 kW bis 8 kW, vorzugsweise 6 kW bis 8 kW.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strahlformung mit einem DOE (diffraktives optisches Element) erfolgen. Mit Hilfe einer Abtastoptik kann der Laserstrahl entlang eines zu schweißenden Weges bewegt werden.
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Insbesondere kann das Werkstück kontrolliert positioniert werden, um einen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Blech zu erreichen. Der Abstand kann durch eine Klemmvorrichtung hergestellt werden, die kontrolliert um 0,1 mm bis 0,3 mm geöffnet werden kann, nachdem die Klemmung die Teile bis zum vollständigen Kontakt zusammengepresst hat. Die Beabstandung kann durch das Anbringen von Erhebungen („Lasergrübchen“) erfolgen, die durch das Auftreffen von Laserpulsen in dem Bereich, in dem das Schweißen stattfindet, erzeugt werden können. Eine andere Möglichkeit, den Abstand zu erreichen, ist die Verwendung von Unterlegscheiben.
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Beim verwendeten Taumeln ist das bevorzugte Muster ein acht-(8)-förmiges Muster.
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Insbesondere ist die Hauptachse des Musters, vorzugsweise in Vorschubrichtung des Laserstrahls, quer zur Schweißrichtung ausgerichtet.
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Vorzugsweise hat das acht-(8)-förmige Muster eine Abmessung von insgesamt 0,5 mm bis 3 mm in Richtung der Hauptachse, vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls beim Schweißen. Diese Ausdehnung kann im Bereich von 0,8 mm bis 2 mm liegen, insbesondere im Bereich von 1 mm bis 1,5 mm.
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Die Frequenz der Schwingung zur Erzeugung des Taumelmusters kann im Bereich von 100 Hz bis 1000 Hz liegen. Vorzugsweise ist die Frequenz der Schwingung höher als 300 Hz, insbesondere höher als 333 Hz.
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Die Taumelkurve des Laserstrahls kann kreisförmig sein, wobei durch die Querbewegung der Prozesszone des Schweißvorgangs entlang des zu schweißenden Weges ein spiralförmiges Muster entsteht. Das Spiralmuster kann in Richtung der Hauptachse, vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung des Laserstrahls beim Schweißen, eine Abmessung von 0,5 mm bis zu insgesamt 3 mm aufweisen. Vorzugsweise liegt diese Erweiterung oder Ausdehnung im Bereich von 0,8 mm bis 2 mm, besonders vorteilhaft im Bereich von 1 mm bis 1,5 mm.
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Die Taumelfigur kann oval sein, wobei durch die Querbewegung der Prozesszone entlang des zu schweißenden Weges ein spiralförmiges Muster entsteht. Die Hauptachse der ovalen Figur ist vorzugsweise quer zur Schweißrichtung ausgerichtet. Die ovale Figur kann in Richtung der Hauptachse eine Abmessung von 0,5 mm bis zu insgesamt 3 mm haben. Vorzugsweise liegt diese Ausdehnung im Bereich von 0,8 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 1,5 mm. Dabei liegt die Länge der kurzen Achse der ovalen Figur vorzugsweise im Bereich von 5 % bis 80 % der Länge der Hauptachse der ovalen Figur, besonders bevorzugt 10 % der Länge der Hauptachse, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu einer Vorschubrichtung des Laserstrahls beim Schweißen.
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Insbesondere beträgt die Taumelgeschwindigkeit zur Bildung des Taumelmusters 800 mm/s bis 2000 mm/s, vorzugsweise 1500 mm/s.
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Die typische Schweißgeschwindigkeit beträgt 2 m/min bis zu 8 m/min und vorzugsweise 4 m/min.
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Insbesondere dauert die Startrampe der Laserleistung 225 ms, wobei eine Strecke von 15 mm durchlaufen wird. Vorzugsweise steigt die Laserleistung von 0 W auf 6000 W. Die Schweiß- und die Taumelgeschwindigkeit können konstant gehalten werden.
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Vorzugsweise dauert die Endrampe der Laserleistung 150 ms, wobei eine Strecke von 10 mm durchlaufen wird. Die Laserleistung kann von 6000 W auf 1200 W sinken. Insbesondere können die Schweiß- und die Taumelgeschwindigkeit konstant gehalten werden.
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Vorzugsweise kann die Abtastoptik zum Schweißen mit einer optischen Vergrößerung betrieben werden, die im Bereich von 1:1 bis 4:1, vorzugsweise im Bereich von 1,5:1 bis 3,26:1, besonders bevorzugt 1,7:1 liegt.
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Insbesondere wird eine 2in1-Faser mit einem Kern/Ring-Durchmesserverhältnis von 50 µm/200 µm oder 100 µm/400 µm oder 200 µm/700 µm verwendet, wobei die Durchmesser um +/- 50 µm variieren können.
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Vorzugsweise werden IR-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge η im Bereich von 800 nm<η<2000 nm verwendet, vorzugsweise im Bereich von 1000 nm<η<1100 nm, besonders bevorzugt 1030 nm, 1063 nm und 1070 nm.
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Insbesondere wird ein Laserstrahl mit einer Leistung im Bereich von 1 kW bis 24 kW, vorzugsweise im Bereich von 4 kW bis 8 kW, verwendet.
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Insbesondere wird eine Strahlformungsvorrichtung zur Erzeugung eines zentral ausgerichteten und/oder positionierten Strahls mit hoher Brillanz und eines ringförmig ausgerichteten und/oder positionierten Ringstrahls mit geringerer Brillanz als der zentrale Strahl verwendet.
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Der zentrale Laserstrahl und der ringförmige Laserstrahl können unterschiedliche Wellenlängen haben. Der zentrale Laserstrahl und der ringförmige Laserstrahl können aus derselben Laserquelle stammen. Alternativ können sie auch aus separaten Laserquellen stammen.
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Die zweite Schweißfläche ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit einer Legierung aus Aluminium und Silizium beschichtet. Dadurch wird insbesondere das zweite Blech an der zweiten Schweißfläche vor Korrosion geschützt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat die Taumelbewegung auf beiden Seiten der Vorschublinie die gleiche Amplitude, wobei die Amplitude insbesondere größer ist als die Periode des Weges des Laserstrahls entlang der imaginären Vorschublinie. Die durch den Laserstrahl erzeugte Wärme wird über eine vergleichsweise große Fläche verteilt. Dies trägt dazu bei, dass die Legierung aus Aluminium und Silizium gleichmäßig in das Material des Blechs diffundiert.
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Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung sind das erste Blech und das zweite Blech als Überlappungsverbindung angeordnet. Insbesondere befinden sich die erste Schweißfläche und die zweite Schweißfläche auf den längeren Seitenflächen des ersten Blechs und des zweiten Blechs. Der Entgasungsspalt befindet sich zwischen den längeren Seitenflächen des ersten Blechs und des zweiten Blechs.
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Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung sind das erste Blech und das zweite Blech als Überlappungsverbindung angeordnet.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung werden die Platten durch eine Kehlnaht oder eine I-Schweißnaht verbunden.
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Vorzugsweise hat der Weg des Laserstrahls die Form einer Sinusfunktion, einer Zickzackfunktion, eines Mäanders, von aufeinanderfolgenden Achten oder Unendlichkeitszeichen. Ein Schweißweg mit einer der oben genannten Formen fördert die gleichmäßige Verteilung der vom Laserstrahl erzeugten Wärme in den Schweißflächen während des Schweißens.
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Vorteilhaft ist, dass die Leistung des Laserstrahls entlang des Weges des Laserstrahls variiert wird. Durch Modulation der Laserstrahlleistung entlang des Weges des Laserstrahls kann die Energiebelastung der vom Laserstrahl erzeugten Schweißzone variiert werden, um den Wärmeeintrag in der Vorschubrichtung des Laserstrahls zu steuern, wobei die Korrosionsschutzschicht durch den Laserstrahl abgetragen wird, ohne das Basismaterial, insbesondere das Stahlblech, zu schmelzen oder zu erweichen.
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In einer spezialisierten Version der oben genannten Ausführungsform der Erfindung wird die Leistung des Laserstrahls während des Schweißvorgangs in einem vorbestimmten Abschnitt am Ende des Laserstrahls in der Vorschubrichtung des Laserstrahls gegenüber der gemittelten Leistung des Laserstrahls auf dem Weg des Laserstrahls erhöht oder verringert. Insbesondere kann die lokale Laserleistung so eingestellt werden, dass sie höher oder niedriger ist als die mittlere Laserleistung auf dem Schweißweg, wenn sich der Laser in der Vorschubrichtung noch nicht aufgeschmolzenen Abschnitten der Bleche nähert. Dies fördert eine gleichmäßige Diffusion der Legierung aus Aluminium und Silizium in das Material des Blechs am Ende der Schweißwege. Der Laserstrahl kann im Dauerstrich-(CW-), Puls- oder modulierten Betrieb eingesetzt werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserleistung entlang des Weges des Laserstrahls konstant sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Laserstrahl mehrmals entlang desselben Segments der Vorschublinie geführt, wobei die Amplitude der Taumelbewegung in der Richtung senkrecht zur imaginären Vorschublinie bei jedem Durchlauf des Segments unterschiedlich eingestellt wird. Der Wärmeeintrag des Laserstrahls in die Bleche wird entlang des Segments allmählich erhöht, insbesondere in der Nähe des Schweißweges. Auf diese Weise kann die Diffusion der Legierung aus Aluminium und Silizium besser kontrolliert werden. Verbleibende lokale spröde intermetallische Phasen werden wieder aufgeschmolzen und die versprödenden Elemente werden besser im geschmolzenen eisenbasierten Material der Bleche verteilt.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das erste Blech und/oder das zweite Blech einen Stahl, der Ferrit, Martensit, Bainit und/oder Austenit enthält, wobei der Stahl insbesondere ein Mehrphasenstahl ist. Vorzugsweise enthalten das erste Blech und/oder das zweite Blech einen Stahl der 3. Generation. Bei Stahl der 3. Generation handelt es sich in der Regel um einen Mehrphasenstahl, der zumindest teilweise aus den vorgenannten Komponenten besteht. Insbesondere enthält der Stahl der 3. Generation Rest-Austenit in einer Bainit- und/oder Martensit-Matrix. Bei den Stählen der Generation 3 handelt es sich um fortschrittliche hochfeste Stähle mit einer hohen Zugfestigkeit und einer guten Duktilität.
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Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren das Schweißen von beschichteten Stählen und Stählen der 3. Generation ohne Entfernen der Korrosionsschutzschicht. Außerdem erleichtert das erfindungsgemäße Verfahren das Schweißen von beschichteten Stählen und Stählen der 3. Generation, wobei eine Versprödung der Schweißzone aufgrund von eingearbeiteten Beschichtungselementen in einer unangemessen hohen Menge vermieden wird.
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(Legierungen aus Stahlsorten der 3. Generation sind zum Beispiel von den Herstellern Arcelor Mittal und USS Steel bekannt. Sie umfassen Fortiform®980, Fortiform®1050, Fortiform®1180, 980 XG3, HDGI 980, XG3 AHSS.)
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Vorzugsweise ist die imaginäre Vorschublinie sinusförmig, kreisförmig, spiralförmig, zickzackförmig oder C-förmig. Insbesondere ein Weg des Laserstrahls entlang einer spiralförmigen imaginären Vorschublinie fördert eine vergleichsweise gleichmäßige Wärmeverteilung und verbessert damit einen gleichmäßigen Diffusionsprozess.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind die erste Schweißfläche und die zweite Schweißfläche so angeordnet, dass die erste Schweißfläche und die zweite Schweißfläche einander zugewandt sind, wobei ein Spalt zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche besteht. Ein Spalt begünstigt die Entfernung möglicher Zusatzelemente in der Beschichtung, die sich während des Schweißvorgangs in Gas verwandeln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt die Breite des Spaltes zwischen der ersten Schweißfläche und der zweiten Schweißfläche 0,05 mm bis 0,5 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,2 mm. Eine Spaltbreite in diesem Bereich ist besonders geeignet für einen gleichmäßigen Entgasungs- und Schweißvorgang, der durch eine Taumelbewegung des Laserstrahls gemäß der Erfindung verursacht wird.
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Die Taumelstrategie ermöglicht das Schweißen von Blechen mit einem Abstand der oben genannten Breite. Im Prinzip ist das Taumeln auch zum Schweißen in spaltfreien Anordnungen geeignet. Der Spalt kann eine kreisförmige Form haben. Das Entweichen von Dampf in radialer Richtung in einem solchen Spalt ist vorteilhaft, da der Dampf sonst direkt durch ein beim Schmelzen des Blechmaterials entstehendes Stichloch entweichen kann, wodurch der geschmolzene Stahl aus der Prozesszone herausgedrückt und die Schweißnaht möglicherweise unbrauchbar wird.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beträgt der Anteil der Leistung des inneren Kerns des Laserstrahls 20 % bis 80 % der Gesamtleistung des inneren Kerns und des äußeren Rings des Laserstrahls, insbesondere 59 % bis 61 % der Gesamtleistung. Eine Leistungsverteilung in diesem Bereich führt zu einer Wärmezone in den Blechen, die den Diffusionsprozess der Legierung aus Aluminium und Silizium in das Material des Blechs fördert. In einigen Ausführungsformen kann der Laserstrahl mehr als einen äußeren Ringabschnitt umfassen, wobei jeder Ringabschnitt konzentrisch zueinander und zum inneren Kern des Laserstrahls ist. In dieser Ausführungsform kann der Anteil der Leistung des inneren Kerns des Laserstrahls 20 % bis 80 % der Gesamtleistung des Laserstrahls (d. h. umfassend den inneren Kern und alle äußere Ringe) betragen, insbesondere 59 % bis 61 % der Gesamtleistung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die Geschwindigkeit des Laserstrahls entlang der Vorschublinie während der Taumelbewegung 2 m/min bis 8 m/min, insbesondere 3 m/min bis 5 m/min. Hier wird die Geschwindigkeit des Laserstrahls entlang der Vorschublinie begrenzt, um die Menge des geschmolzenen Fluids pro Zeiteinheit niedrig zu halten, wobei das geschmolzene Fluid durch das Schmelzen der Legierung aus Aluminium und Silizium in der Beschichtung erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Diffusion des Aluminiums und/oder des Siliziums in das Material des Blechs erreicht.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind aus der Beschreibung und der Zeichnungen ersichtlich. Ebenso können die vorgenannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination verwendet werden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Beschreibung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Schweißen zweier Bleche;
- 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Laserstrahl, der beim Schweißvorgang verwendet wird;
- 3 zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht des Weges des Laserstrahls.
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1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Schweißen eines ersten Blechs 10a mit einer ersten Schweißfläche 12a und eines zweiten Blechs 10b mit einer zweiten Schweißfläche 12b, wobei die Bleche 10a, 10b im Querschnitt dargestellt sind. Die Bleche 10a, 10b sind quaderförmig und sind als Überlappungsverbindung angeordnet. Die erste Schweißfläche 12a und die zweite Schweißfläche 12b befinden sich auf zwei der größeren Seitenflächen der Platten 10a, 10b und liegen einander gegenüber. Ein Spalt 14 trennt die erste Schweißfläche 12a und die zweite Schweißfläche 12b räumlich voneinander. Die erste Schweißfläche 12a und die zweite Schweißfläche 12b sind mit Beschichtungen 16a, 16b bedeckt, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfassen, wobei weitere Beschichtungen 16c, 16d, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfassen, auf Seitenflächen der Bleche gegenüber der ersten Schweißfläche 12a und der zweiten Schweißfläche 12b aufgebracht sind. Die Beschichtungen 16a - 16d, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfassen, dienen dem Korrosionsschutz der Bleche 10a, 10b.
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Die erste Schweißfläche 12a und die zweite Schweißfläche 12b werden mit einem Laserstrahl 18 zum Erzeugen einer Schmelzzone 36 bestrahlt, zu dem Zweck, die Bleche 10a, 10b zu verschweißen. Der Laserstrahl 18 wird entlang einer Taumelkurve in einer Vorschubrichtung FD bewegt, wobei die Taumelkurve einen Weg 24 des Laserstrahls 18 definiert. Senkrecht zur Vorschubrichtung FD hat der Weg 24 des Laserstrahls 18 auf beiden Seiten einer imaginären Vorschublinie 28, die in Vorschubrichtung FD verläuft, die gleiche Amplitude 26. Der Weg 24 des Laserstrahls 18 hat eine periodische mäandernde Form. Die Amplitude 26 des Weges 24 des Laserstrahls 18 ist größer als die Länge der Periode 30 (siehe 3) des Weges 24 des Laserstrahls 18 entlang der imaginären Vorschublinie 28.
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2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Laserstrahl 18 mit einem inneren Kern 20 und einem äußeren Ring 22 unterschiedlicher Intensitäten in radialer Richtung von einer Strahlachse BA (hier in die Papierebene hinein und aus ihr heraus) des Laserstrahls 18. Der innere Kern 20 und der äußere Ring 22 tragen dazu bei, Spritzer während des Schweißvorgangs zu vermeiden. Das Verhältnis der Intensitäten des inneren Kerns 20 und des äußeren Rings 22 des Laserstrahls 18 kann entlang des Weges 24 (siehe 1) des Laserstrahls 18 verändert werden, um den Schweißvorgang an die lokalen Eigenschaften der Bleche 10a, 10b anzupassen.
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3 zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht des Weges 24 des Laserstrahls 18 (vgl. 1). In einem vorbestimmten Abschnitt 32 an einem Ende des Weges 24 des Laserstrahls 18 in Vorschubrichtung FD des Laserstrahls 18 wird die Leistung des Laserstrahls 18 während des Schweißvorgangs im Vergleich zur gemittelten Leistung des Laserstrahls 18 auf dem Weg 24 des Laserstrahls 18 erhöht oder verringert. Die imaginäre Vorschublinie 28 ist in mehrere Segmente 34a, 34b unterteilt. Der Laserstrahl 18 kann mehrmals entlang derselben Segmente 34a, 34b der Vorschublinie 28 geführt werden, wobei die Amplitude 26 des Weges 24 des Laserstrahls 18 in der Richtung senkrecht zur imaginären Vorschublinie 28 bei jedem Durchlauf der Segmente 34a, 34b unterschiedlich eingestellt wird.
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Unter Berücksichtigung aller Figuren der Zeichnungen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verschweißen einer ersten Schweißfläche 12a eines ersten Blechs 10a mit einer zweiten Schweißfläche 12b eines zweiten Blechs 10b, wobei die erste Schweißfläche 12a eine Beschichtung 16a aufweist, die eine Legierung aus Aluminium und Silizium umfasst. Die Schweißflächen 12a, 12b sind einander zugewandt und voneinander beabstandet angeordnet. Ein Laserstrahl 18 wird entlang der ersten Schweißfläche 12a und der zweiten Schweißfläche 12b zum Verschweißen der Schweißflächen 12a, 12b in einer Taumelbewegung geführt. Insbesondere wird der Laserstrahl gleichzeitig entlang der ersten Schweißfläche 12a und der zweiten Schweißfläche 12b geführt. Die Taumelbewegung hat eine Richtungskomponente in einer Vorschubrichtung FD des Laserstrahls 18 und eine Richtungskomponente senkrecht zur Vorschubrichtung FD. Der Weg 24 des Laserstrahls 18 auf den Schweißflächen 12a, 12b hat ein Muster, das sich mit einer Periode 30 in der Vorschubrichtung FD wiederholt. Die Breite des Weges 24 senkrecht zur Vorschubrichtung FD ist größer als die Periode 30 des Weges 24 in Vorschubrichtung FD. Der Laserstrahl 18 ist in radialer Richtung von seiner Strahlachse BA in ein inneres Profil 20 und ein äußeres Profil 22 unterteilt, deren Intensitäten unterschiedlich sind, wobei das äußere Profil 22 das innere Profil 20 umgibt.
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Bezugszeichenliste
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- 10a - b
- Bleche
- 12a - b
- Schweißflächen
- 14
- Spalt
- 16a - d
- Beschichtungen umfassend Legierung aus Aluminium und Silizium
- 18
- Laserstrahl
- 20
- Innerer Kern
- 22
- Äußerer Ring
- 24
- Weg des Laserstrahls
- 26
- Amplitude
- 28
- Vorschublinie
- 30
- Periode
- 32
- Vorbestimmter Abschnitt
- 34a - b
- Segmente
- 36
- Schmelzzone
- FD
- Vorschubrichtung
- BA
- Strahlachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0327320 A1 [0002]
- US 10118249 B2 [0003]
- US 2020/0047285 A1 [0004]
- US 2020/0171603 A1 [0005]
- US 2020/0254562 A1 [0006]
