DE112015002873T5

DE112015002873T5 - Verfahren und System zum Laserschweißen vorbeschichteter Blechwerkstücke

Info

Publication number: DE112015002873T5
Application number: DE112015002873.0T
Authority: DE
Inventors: Hongping Gu; Boris Shulkin; Robert Mueller; Jeremiah John Brandy
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-06-20
Also published as: CN106457465A; WO2015192219A1; CN106457465B; US20170095886A1; DE112015002873B4

Abstract

Ein Verfahren für das Laserschweißen vorbeschichteter Blechplatten umfasst das Anordnen zweier vorbeschichteter Metallplatten auf einer Arbeitsstation, so dass die Kanten der zu verschweißenden Platten gegeneinanderstoßen. Jede Platte weist eine Stahlsubstratschicht auf, wobei die Vorbeschichtung eine intermetallische Legierungsschicht und eine metallische Legierungsschicht umfasst. Innerhalb eines einzelnen Durchgangs wird ein Bereich jeder Platte neben den zu verschweißenden gegeneinanderstoßend angeordneten Kanten mit einem nicht fokussierten Laserstrahl bestrahlt, wodurch die Vorbeschichtung in den genannten Bereichen jeder Platte geschmolzenen wird. Während des einzelnen Durchgangs wird ein Gasstrom genutzt, um das geschmolzene Material der Vorbeschichtung aus den bestrahlten Bereichen der zwei Platten zu blasen. Ohne die zwei Platten aus der Arbeitsstation zu entfernen, wird das Laserschweißen der Platten unter Verwendung eines fokussierten Laserstrahls durchgeführt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und ein System zur Herstellung von Blechkomponenten, wie beispielsweise von entsprechenden Komponenten, die in Fahrzeugen oder anderen Baueinheiten verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und ein System zum Laserschweißen vorbeschichteter Blechplatten, um stumpfgeschweißte Bleche zu erzeugen oder um blechförmige Komponenten und dergleichen zu verbinden.
Hintergrund der Erfindung
Die Automobilindustrie begegnet einer kontinuierlichen Herausforderung in der Verbesserung der Sicherheit und Crash-Überlebensfähigkeit der Fahrzeuge, die sie produziert, während sie gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz verbessert, um gesetzliche Mindeststandards zu erfüllen oder zu übertreffen. Ein Vorgehen zur Erreichung beider Ziele setzt auf die Verwendung leichterer Materialien, die eine exzellente mechanische Festigkeit, hohe Schlagzähigkeit et cetera aufweisen. Dadurch kann das Fahrzeuggesamtgewicht reduziert werden, so dass eine verbesserte Kraftstoffeffizienz erreicht wird, ohne das Energieabsorptionsvermögen im Falle einer Kollision dafür zu opfern. Diese Strategie wird weithin angewendet, um intrusionshemmende, strukturelle und sicherheitsrelevante Komponenten von Fahrzeugen, wie etwa Stoßstangen, Türverstärkungen, B-Säulenverstärkungen und Dachverstärkungen zu produzieren.
Beispielsweise werden „stumpfgeschweißte Bleche” durch Zusammenfügen, vorzugsweise durch Laserschweißen, aus zwei oder mehreren Stahlrohlingen verschiedener Zusammensetzung und/oder Dicken erzeugt. Nachdem die verschweißten Bleche kalt gedrückt worden sind, werden Bauteile mit variierende Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Pressbarkeit, und Aufprallabsorption erhalten, die innerhalb der Bauteile selbst variieren. Daher ist es möglich, unterschiedliche mechanische Eigenschaften an unterschiedlichen Stellen innerhalb eines Bauteils bereitzustellen, ohne dass dies einen unnötigen oder kostenintensiven Nachteil für das Bauteil bedeutet. Beispielsweise kann eine B-Säule durch das Zusammenfügen eines ersten Stahlrohlings, der eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, mit einem zweiten Stahlrohling, der eine verhältnismäßig geringe mechanische Festigkeit aufweist, erhalten werden. Während eines Aufpralls ist die Deformation in dem Teil der B-Säule konzentriert, der aus dem zweiten Stahlrohling erzeugt wurde, so dass die Aufprallenergie auf die gewünschte Weise sicher absorbiert wird.
Um die Notwendigkeit der Bereitstellung einer kontrollierten Steuerung der Atmosphäre innerhalb des Ofens während der Warmformgebung der verschweißten Bleche zu vermeiden und um eine Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, ist es üblich, solche Bleche unter Verwendung von beschichtetem Blechmaterial herzustellen, wie beispielsweise Borstahl mit einer Aluminium-Silikon-Vorbeschichtung. Leider führt das Verfahren des Laserschweißens bei solchen vorbeschichteten Blechen dazu, dass ein Teil des Materials der Vorbeschichtung in den geschmolzenen Bereich, der während des Schweißvorgangs erzeugt wird, übertragen wird. Ein darauf folgendes Austenitisieren und Abschrecken der verschweißten Bleche führt dazu, dass die Metallelemente aus der Vorbeschichtung eine Legierung mit dem Eisen oder anderen Elementen innerhalb des Stahlbleches eingehen, wodurch spröde, intermetallische Verbindungen in der geschweißten Verbindung entstehen. Bei einer darauf folgenden mechanischen Belastung neigen diese intermetallischen Verbindungen dazu, zu dem Entstehungsort eines Bruchs unter statischer oder dynamischer Belastung zu werden. Daher wird die Gesamtverformbarkeit der geschweißten Verbindungen nach der Wärmebehandlung bedeutend reduziert, weil intermetallische Verbindungen durch das Schweißen und das darauf folgende Legieren und Austenitisieren vorhanden sind.
Canourgues et al. merken in dem US-Patent 8,614,008 an, dass es wünschenswert ist, die Ursache für die oben genannten intermetallischen Verbindungen zu entfernen, und zwar die erste anfängliche Metalloberflächenbeschichtung, die beim Laserschweißen wahrscheinlich geschmolzen wird. Allerdings führt die Beseitigung der Vorbeschichtung in Bereichen beiderseits der zukünftigen geschweißten Verbindung zu Bereichen, die nach dem Schweißvorgang nicht mehr über irgendeine Oberflächen-Metallvorbeschichtung verfügen. Dies geschieht, weil die Breite des Bereichs, aus dem die Vorbeschichtung entfernt wird, mindestens genauso breit sein muss, wie die Breite des Bereichs, der während des Schweißens geschmolzen wird, so dass eine darauf folgenden Entstehung von intermetallischen Bereichen nicht gefördert wird. Canourgues et al. merken an, dass in der Praxis die Breite der entfernten Vorbeschichtung viel größer sein muss als dieser minimale Betrag, um Abweichungen in der Breite des geschmolzenen Bereichs während des Montagevorgangs zu erlauben. Leider tritt während weiterer legierender und austenitisierender Wärmebehandlung eine Zunderbildung und Dekarbonisierung innerhalb der nicht beschichteten Bereiche auf, die neben der Schweißverbindung lokalisiert sind. Ferner sind es diese unbeschichteten und daher ungeschützten Bereiche, die zu Korrosion neigen, wenn das Bauteil in Betrieb ist.
Canourgues et al. offenbaren weiter ihre überraschende Entdeckung, wonach die Entfernung nur eines Teils der Vorbeschichtung noch wirksam ist, um das oben genannte Korrosionsproblem zu lösen. Insbesondere enthält ihre Lösung die Entfernung der kompletten Dicke der metallischen Legierungsschicht, während die darunterliegende intermetallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit dem Stahlsubstrat steht, an Ort und Stelle belassen wird. Canourgues et al. betonen die präzise Entfernung der metallischen Legierungsschicht, die die Messung der Emissivität oder Reflektivität der Oberfläche, die während des Verfahrens zur Entfernung freigelegt wird, einschließt, und das Stoppen des Abtragens, wenn eine Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Referenzwert einen kritischen Grenzwert überschreitet. Da die intermetallische Legierungsschicht während der Entfernung der metallischen Legierungsschicht unberührt bleibt, kann die Breite des Bereichs, aus dem die metallische Legierungsschicht entfernt wird, 20–40% breiter sein als die halbe Breite der Schweißverbindung. Während des Schweißverfahrens kann die Metalllegierung nicht in das Schmelzbad schmelzen und somit entstehen keine intermetallischen Bereiche entlang der geschweißten Verbindung. Die unberührte intermetallische Legierungsschicht auf beiden Seiten der Schweißverbindung bietet einen Schutz gegen Korrosion, wenn das Bauteil in Betrieb genommen wird, jedoch trägt diese nicht signifikant dazu bei, intermetallischen Verbindungen in der Schweißverbindung zu bilden.
Die Lösung, die durch Canourgues et al. offenbart wird, ist elegant und führt zu einer belastbaren Schweißverbindung, die gegen Korrosion geschützt ist, die jedoch auch sehr schwer in die Praxis umzusetzen ist. Insbesondere ist es sehr schwer, eine präzise Entfernung der metallischen Legierungsschicht durch mechanisches Bürsten oder Laserablation zu erreichen und dabei die darunterliegende intermetallische Legierung unberührt zu lassen. Ferner ist das Verfahren zeitaufwändig und arbeitsintensiv, da jedes Bauteil aus einem verschweißten Blech separat gehandhabt werden muss, in einer ersten Arbeitsmaschine positioniert werden muss, um der Entfernung der metallischen Legierungsschicht unterzogen zu werden, zu einer zweiten Arbeitsstation bewegt werden muss und relativ zu einem anderen Bauteil aus einem verschweißten Blech positioniert werden muss, und dann schließlich werden die zwei separaten Bauteile in der zweiten Arbeitsstation zusammen verschweißt. Selbstverständlich erhöht der Betrieb separater Arbeitsstationen für die Entfernung der metallischen Legierungsschicht und für das Schweißverfahren den Bedarf der Bodenflächennutzung und erfordert die Verdoppelung der Laserquellen und Laseroptikbaueinheiten, et cetera. Dies ist notwendigerweise der Fall, da ein Pulswellen-Laser verwendet wird, um die metallische Legierungsschicht zu entfernen und ein Dauerstrich-Laser, um das Laserschweißen durchzuführen. Insbesondere beschreiben Canourgues et al. die Nutzung eines Strahles mit hoher Energiedichte, der eine Verdampfung und eine Verdrängung der Oberfläche der Vorbeschichtung verursacht.
Selbstverständlich ist die Entstehung von spröden, intermetallischen Verbindungen in geschweißten Verbindungen ein Problem, das ebenso in anderen Anwendungen, wie beispielsweise während des Schweißens von beschichteten, blechförmigen Komponenten, auftritt. In diesem Fall wird ein vorbeschichtetes Aluminium-Silikon-Stahlblech warmumgeformt, um eine Komponente mit der gewünschten Form zu erzeugen. Darauffolgende Schweißschritte können durchgeführt werden, wie beispielsweise das Fügen der in Form gebrachten Komponente mit einem bearbeiteten Bauteil oder das Fügen zweier Kanten der in Form gebrachten Komponenten. Leider bilden die Materialien der Beschichtung unerwünschte intermetallische Verbindungen in der Schweißverbindung, die eine schwerwiegende Rissbildung verursachen und zu demselben Typ von Problemen führen können, die zuvor oben hinsichtlich stumpfgeschweißter Bleche beschrieben wurden.
Es wäre vorteilhaft, zumindest einige der oben genannten Begrenzungen und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Zusammmenfassung der Erfindung
Entsprechend einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird ein Verfahren für das Laserschweißen offenbart, welches umfasst: Anordnen eines ersten Werkstücks relativ zu einem zweiten Werkstück auf einer Arbeitsstation, so dass das erste und zweite Werkstück aneinander entlang einer Verbindungsfläche anstoßen, wobei mindestens eines des ersten und des zweiten Werkstücks ein Stahlsubstrat und eine Vorbeschichtung umfasst, wobei die Vorbeschichtung eine intermetallische Legierung umfasst, die in Kontakt mit dem darunterliegenden Stahlsubstrat steht und zudem eine metallischen Legierungsschicht, die in Kontakt mit der intermetallischen Legierungsschicht steht; Scannen eines nicht fokussierten Laserstrahls entlang der Verbindungsflächen zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück, wodurch das Material der Vorbeschichtung innerhalb einer unmittelbar an die Verbindungsfläche angrenzenden Fläche schmilzt; während des Scannens des nicht fokussierten Laserstrahls und bevor das geschmolzene Material wieder erstarrt, Richten eines Gasstroms auf das geschmolzene Material, wobei der Gasstrom genügend Kraft bereitstellt, um das geschmolzene Material von dem darunterliegenden Stahlsubstrat von mindestens einem des ersten und des zweiten Werkstücks wegzublasen; und ohne das erste und zweite Werkstück von der Arbeitsstation zu einer anderen Arbeitsstation zu übertragen, Scannen eines fokussierten Laserstrahls entlang der Verbindungsfläche, um eine Laserschweißverbindung zu erzeugen.
Entsprechend einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird ein System zum Laserschweißen offenbart, welches umfasst: eine Abstützung, um ein erstes Werkstück in einer vordefinierten Orientierung relativ zu einem zweiten Werkstück zu halten, so dass das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück entlang einer Verbindungsfläche anstößt, wobei mindestens eines des ersten oder des zweiten Werkstücks ein Stahlsubstrat mit einer darüber ausgeformten Vorbeschichtung umfasst; mindestens eine Laseroptikbaueinheit in optischer Verbindung mit einer Laserquelle; mindestens ein Aktuator zur relativen Bewegung der mindestens einen Laseroptikbaueinheit relativ zu der Abstützung; und eine Leitung in Verbindung mit einer Gasquelle, um einen Gasstrom auf einen vordefinierten Punkt entlang der Verbindungsfläche zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück zu richten, wobei während des Betriebs der mindestens eine Aktuator die mindestens eine Laseroptikbaueinheit relativ zu der Abstützung bewegt, so dass die mindestens eine Laseroptikbaueinheit während des Betriebs einen nicht fokussierten Laserstrahl entlang der Verbindungsfläche scannt, um das Material der Vorbeschichtung innerhalb einer unmittelbar an die Verbindungsfläche angrenzenden Fläche zu schmelzen, und so dass die mindestens eine Laseroptikbaueinheit danach mit einem fokussierten Laserstrahl entlang der Verbindungsfläche scannt, um eine Laserschweißverbindung zu erzeugen, und wobei der vordefinierte Punkt entlang der Verbindungsfläche ein Punkt ist, der in Richtung des Scans hinter dem nicht fokussierten Laserstrahl angeordnet ist, und wobei der Gaststrom genug Kraft erzeugt, um das geschmolzene Material der Vorbeschichtung von der darunterliegenden Stahlsubstratschicht von dem mindestens einen des ersten und zweiten Werkstücks wegzublasen, bevor der fokussierte Laserstrahl scannt, um die Laserschweißverbindung zu erzeugen.
Entsprechend einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Laserschweißen von vorbeschichteten Blechplatten zur Erzeugung eines stumpfgeschweißten Bleches offenbart, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen einer ersten vorbeschichteten Blechplatte relativ zu einer zweiten vorbeschichteten Blechplatte auf einer Arbeitsstation, so dass eine Kante der ersten Platte und eine Kante der zweiten Platte gegeneinander stoßen und eine Verbindungsfläche definieren, wobei jede Platte ein Stahlsubstrat und eine Vorbeschichtung umfasst, wobei die Vorbeschichtung eine intermetallische Legierung umfasst, die in Kontakt mit dem darunterliegenden Stahlsubstrat steht, sowie eine metallischen Legierungsschicht, die in Kontakt mit der intermetallischen Legierungsschicht steht; Scannen eines nicht fokussierten Laserstrahls entlang der Verbindungsflächen zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte, wodurch angrenzende Oberflächenbereiche der Platten aufgeheizt werden, die neben der Verbindungsfläche angeordnet sind, und Schmelzen des Materials der Vorbeschichtung innerhalb jedes der angrenzenden Oberflächenbereiche; während des Scannens, Richten eines Gasstroms auf das geschmolzene Material, wobei der Gasstrom genügend Kraft erzeugt, um das geschmolzene Material aus den angrenzenden Oberflächenbereichen wegzublasen; und ohne die erste Platte und die zweite Platte von der Arbeitsstation zu einer anderen Arbeitsstation zu übertragen, Scannen eines fokussierten Laserstrahls entlang der Verbindungsfläche, um eine Laserschweißverbindung zu erzeugen.
Entsprechend einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System für das Laserschweißen von vorbeschichteten Blechplatten zur Erzeugung eines stumpfgeschweißten Bleches offenbart, wobei das System umfasst: eine Abstützung, um eine erste vorbeschichtete Blechplatte in einer vordefinierten Orientierung relativ zu einer zweiten Blechplatte zu halten, so dass eine Kante der ersten Platte und eine Kante der zweiten Platte gegeneinander stoßen und eine Verbindungsfläche definieren; mindestens eine Laseroptikbaueinheit in optischer Verbindung mit der Laserquelle; mindestens einen Aktuator zur relativen Bewegung der mindestens einen Laseroptikbaueinheit relativ zu der Abstützung; und eine Leitung in Verbindung mit einer Gasquelle, um einen Gasstrom auf einen vordefinierten Punkt entlang der Verbindungsfläche zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte zu richten, wobei während des Betriebs der mindestens eine Aktuator die mindestens eine Laseroptikbaueinheit relativ zu der Abstützung bewegt, so dass die mindestens eine Laseroptikbaueinheit einen nicht fokussierten Laserstrahl entlang der Verbindungsfläche scannt, um zumindest etwas Material der Vorbeschichtung innerhalb der Bereiche der Platten angrenzend an die Verbindungsfläche zu schmelzen, und so dass die mindestens eine Laseroptikbaueinheit einen fokussierten Laserstrahl entlang der Verbindungsfläche scannt, um eine Laserschweißverbindung zu erzeugen, und wobei der vordefinierte Punkt entlang der Verbindungsfläche ein Punkt ist, der in die Richtung des Scans hinter dem nicht fokussierten Laserstrahl angeordnet ist, und wobei der Gaststrom genug Kraft erzeugt, um das geschmolzene Material der Vorbeschichtung aus angrenzenden Oberflächenbereichen herauszublasen.
Entsprechend einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laserschweißen von vorbeschichteten Blechplatten zur Erzeugung eines stumpfgeschweißten Bleches offenbart, wobei das Verfahren umfasst: Beladen einer Arbeitsstation mit zwei vorbeschichteten Blechplatten, so dass Kanten der zu verschweißenden Platten gegeneinanderstoßend angeordnet werden, wobei jede Platte ein Stahlsubstrat und eine Vorbeschichtung umfasst, wobei die Vorbeschichtung eine intermetallische Legierung umfasst, die in Kontakt mit dem darunterliegenden Stahlsubstrat steht, und zudem eine metallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit der intermetallischen Legierungsschicht steht; innerhalb eines einzelnen Durchgangs, Bestrahlen mit einem nicht fokussierten Laserstrahl auf einen Bereich von jeder Platte, der an die gegeneinanderstoßenden Kanten angrenzt, wodurch das Material der Vorbeschichtung innerhalb der genannten Bereiche beider Platten schmilzt; während des einzelnen Durchgangs, Richten eines Gasstroms auf das geschmolzene Material der Vorbeschichtung, wobei der Gasstrom genügend Kraft bereitstellt, um das geschmolzene Material aus dem bestrahlten Bereichen der zwei Platten herauszublasen; und ohne die zwei Platten von der Arbeitsstation zu entfernen, das Zusammenlaserschweißen der Platten unter Verwendung eines fokussierten Laserstrahls.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun nur anhand von Beispielen beschrieben, und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei ähnliche Bezugsnummern ähnliche Elemente über mehrere Ansichten hinweg kennzeichnen. Es sollte verstanden werden, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. In bestimmten Fällen wurden für das Verstehen der Offenbarung nicht notwendige Details oder solche, die das Wahrnehmen anderer Details erschweren, weggelassen.
1 ist eine vereinfachte Seitenansicht, die zwei vorbeschichtete Blechplatten verschiedener Dicken zeigt, bevor diese stumpfgeschweißt werden.
2 ist eine vereinfachte Seitenansicht, die zwei vorbeschichtete Blechplatten aus 1 während der Entfernung des Materials der Vorbeschichtung zeigt, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die eine vorbeschichtete Blechplatten aus 1 während der Entfernung des Materials der Vorbeschichtung, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung, zeigt.
4 ist eine vereinfachte Seitenansicht, die die vorbeschichtete Blechplatten aus 1 während des Laserschweißens zeigt, nach der Entfernung des Materials der Vorbeschichtung.
5 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die vorbeschichteten Blechplatten aus 1 während des Laserschweißens zeigt, nach der Entfernung des Materials der Vorbeschichtung.
6 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die Benutzung eines Strahlteilers, um das Entfernen des Materials der Vorbeschichtung und das Laserschweißens simultan zu erzielen, zeigt, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
7 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die Benutzung separater Laserköpfe zeigt, um das Entfernen des Materials der Vorbeschichtung und das Laserschweißens simultan zu erzielen, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine vereinfachte Draufsicht, die die Benutzung eines Doppelstrahl-Lasers, um das Materials der Vorbeschichtung zu entfernen, zeigt, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
9 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die Benutzung eines Doppelstrahl-Lasers, um das Materials der Vorbeschichtung zu entfernen, zeigt, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
10A–D zeigen die verschiedenen Schritte innerhalb eines Verfahrens für das Fügen einer umgeformten Komponente mit einem verarbeiteten Bauteil, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung wird dargestellt, um einem Fachmann die Benutzung der Erfindung zu ermöglichen, und wird im Kontext einer bestimmten Anwendung und deren Anforderungen bereitgestellt. Insbesondere wird diese Erfindung hinsichtlich einer spezifischen Anwendung, und zwar der Erstellung von stumpfgeschweißten Blechen, beschrieben, jedoch gilt es zu verstehen, dass auch weitere Anwendungen erwogen werden, wie beispielsweise das Schweißen von beschichteten blechförmigen Komponenten. Ferner werden verschiedene Modifikationen in den offenbarten Ausführungsform für solche Fachleute leicht sichtbar sein, und die hier allgemein definierten Prinzipien können auf andere Ausführungsformen angewendet werden, ohne dabei den Umfang der Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung ist daher nicht dazu beabsichtigt, auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein, sondern dazu, den weitesten Umfang, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen übereinstimmt, einzuräumen. Zudem gilt es zu verstehen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und die hier verwendeten Fachausdrücke dem Zweck der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden sollten. Die Benutzung von „einschließen”, „umfassen” oder „mit” und Abweichungen davon meint hier das Umfassen der darauffolgenden, aufgeführten Gegenstände, Äquivalente davon wie auch zusätzliche Gegenstände.
Ein Verfahren und ein System zum Laserschweißen von vorbeschichteten Werkstücken wird nun im Kontext eines spezifischen Beispiels beschrieben, in dem zwei vorbeschichtete Blechplatten stumpfgeschweißt werden, um ein stumpfgeschweißtes Blech zu erzeugen. 1 ist eine vereinfachte Seitenansicht, die zwei vorbeschichtete Blechplatten unterschiedlicher Dicke zeigt, bevor diese stumpfgeschweißt werden. Genauer gesagt, ist das Stahlsubstrat 10 relativ dünner als Stahlsubstrat 104. Jedes Substrat 102 und 104 verfügt über eine Vorbeschichtung 106 an jeder seiner Seiten. Die Vorbeschichtung 106 wird auf bekannte Weise erzeugt, wie beispielsweise durch Tauchlackierung der Substrate 102 und 104 in einem Bad geschmolzenen Aluminiums oder geschmolzener Aluminium-Legierung. Optional wird die Vorbeschichtung 106 unter Verwendung eines anderen geeigneten Materials, wie beispielsweise durch Tauchlackierung der Substrate 102 und 104 in einem Bad geschmolzenem Zinks oder geschmolzener Zink-Legierung, erzeugt. Die Platten sind so angeordnet, dass zusammenzuschweißende Kanten der Platten gegeneinanderstoßend angeordnet sind und eine Verbindungsfläche 108 definieren.
Zur Vereinfachung ist die Vorbeschichtung 106 in den Zeichnungen als einzelne Schicht bildlich dargestellt. Jedoch umfasst in der Praxis die Vorbeschichtung 106 eine intermetallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit dem Stahlsubstrat 102 oder 104 steht und eine metallischen Legierungsschicht, die in Kontakt mit der intermetallischen Legierungsschicht steht. Die Vorbeschichtung 106 hat typischerweise eine Schmelztemperatur, die viel geringer ist, als die Schmelztemperatur des darunterliegenden Stahlsubstrats 102 oder 104. Beispielsweise hat eine Aluminium-Silikon-Legierungsschicht eine Schmelztemperatur von unter 600°C verglichen mit der des Stahlsubstrats in Höhe von ungefähr 1500°C. In den folgenden Zeichnungen und in dem entsprechenden Text werden mehrere Verfahren und verwandte Systeme zur Erzeugung von stumpfgeschweißten Blechen aus vorbeschichteten Blechplatten offenbart. Bei den Verfahren wird der Vorteil des oben genannten großen Unterschieds der Schmelztemperaturen genutzt. In jedem der Verfahren wird ein Dauerstrich-Laser für die lokalisierte Entfernung des Materials der Vorbeschichtung innerhalb der zu verschweißenden Bereiche wie auch für die Erstellung der Laserschweißverbindung verwendet. In jedem Fall wird ein Hochdruck-Gasstrom genutzt, um die Entfernung der Vorbeschichtung zu unterstützen, indem dieser eine ausreichend große Kraft zur Entfernung des geschmolzenen Materials der Vorbeschichtung aus den Bereichen, innerhalb derer geschweißt werden soll, bereitstellt.
Nun unter Bezug auf 2 wird eine vereinfachte Seitenansicht der vorbeschichteten Blechplatten aus 1 gezeigt, während das Material der Vorbeschichtung 106 lokalisiert entfernt wird. Die Laseroptikbaueinheit 200 erhält Laserlicht von einer Dauerstrich-Laserquelle über eine Faser, insgesamt bezeichnet als Laserquelle 204, und sendet einen nicht fokussierten Laserstrahl 206 in Richtung angrenzender Oberflächenbereiche der Platten auf beiden Seiten der Verbindungsfläche 108. Gemäß einem Beispiel umfasst die Laseroptikbaueinheit 200 mindestens eine Linse und die Faser der Laserquelle 204 ist entweder eine einzelne Kernfaser oder ein mehrere Fasern umfassendes Bündel. Der nicht fokussierte Laserstrahl 206 schmilzt Material der Vorbeschichtung 106 innerhalb der angrenzenden Oberflächenbereiche, jedoch verdampft und stößt er das geschmolzene Material nicht aus. Vielmehr wird eine Leitung 202 genutzt, um einen Gasstrom auf das geschmolzene Material zu richten mit genügend Kraft, um das geschmolzene Material aus den angrenzenden Oberflächenbereichen herauszublasen. Die Leitung 202 steht in Fluidverbindung mit einer Hochdruck-Gasquelle (nicht gezeigt).
Unter Bezug auf 3 wird der nicht fokussierte Laserstrahl 206 entlang der Verbindungsfläche 108 in die durch den Blockpfeil in der Zeichnung angegebene Richtung gescannt. Die Leitung 202 folgt hinter dem Laserstrahl 206 in der Scanrichtung, so dass der Gasstrom auf das geschmolzene Material gerichtet ist, das unmittelbar hinter dem nicht fokussierten Laserstrahl 206 erzeugt wird. Auf diese Weise bläst der Gasstrom das geschmolzene Material aus den angrenzenden Oberflächenbereichen weg, bevor das geschmolzene Material wieder erstarrt. Alternativ werden die Platten entgegen der durch die Scanrichtung angezeigten Richtung bewegt, und die Laseroptikbaueinheit 200 und die Leitung 202 verbleiben ortsfest. Es gilt zu verstehen, dass wie in 3 bildlich dargestellt, die Platten nicht mechanisch miteinander gefügt sind, sondern lediglich angeordnet und in einer Vorrichtung oder in einer anderen geeigneten Abstützung gehalten sind. Insbesondere wird jede Platte positioniert und fest gehalten in Position relativ zu der anderen Platte während des Entfernens der Vorbeschichtung 106 und während des darauf folgenden Laserschweißens.
Nun unter Bezug auf 4 ist eine vereinfachte Seitenansicht der vorbeschichteten Blechplatten aus 1 während des Laserschweißens gezeigt, und nach dem Entfernen des Materials der Vorbeschichtung innerhalb der angrenzenden Oberflächenbereiche. In 4 werden dieselbe Laseroptikbaueinheit 200 und Laserquelle 204, die genutzt wurden, um das Material der Vorbeschichtung zu entfernen, ebenfalls genutzt um eine Laserschweißverbindung 400 zwischen den Substraten 102 und 104 zu erzeugen. Die Leitung 202 ist in 4 nicht dargestellt, um die Deutlichkeit zu verbessern.
Unter Bezug auf 5 wird die Laserschweißverbindung 400 während eines zweiten Durchgangs erzeugt, nachdem das Material der Vorbeschichtung 106 von den angrenzenden Oberflächenbereichen von den Platten während eines ersten Durchgangs entfernt wurde. Die Laseroptikbaueinheit 200 kann in dieselbe Richtung scannen wie während des zweiten Durchgangs, um die Laserschweißschweißverbindung 400 zu erzeugen, und während des ersten Durchgangs zur Entfernung des Materials der Vorbeschichtung 106 von den angrenzenden Oberflächenbereichen der Platten. Optional wird die Laseroptik (relativ zu den Platten) in entgegengesetzte Richtungen zur Erstellung der Laserschweißschweißverbindung 400 und für die Entfernung des Materials der Vorbeschichtung 106 gescannt.
Unter Bezug auf 6 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht gezeigt, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Benutzung des Strahlteilers 600 darstellt, um das Entfernen des Materials der Vorbeschichtung und das Laserschweißen simultan zu erzielen. Während eines einzelnen Durchgangs werden ein nicht fokussierter Laserstrahl 206 und ein fokussierter Laserstrahl 208 entlang der Verbindungsfläche 108 in Scanrichtung, die durch den Blockpfeil in der Abbildung angegeben ist, gescannt. Leitung 202 richtet einen Gasstrom auf Material der Vorbeschichtung 106, das durch den nicht fokussierten Laserstrahl 206 geschmolzen wird, und stellt ausreichend Kraft bereit, um das geschmolzene Material aus den angrenzenden Oberflächenbereichen, die an die Verbindungsfläche 108 angrenzen, herauszublasen. Die Leitung 202 steht in Fluidverbindung mit einer Hochdruck-Gasquelle (nicht abgebildet). Der Strahlteiler 206 wird genutzt, um den fokussierten Laserstrahl 208 in Richtung der Verbindungsfläche 108 zu senden, um eine Laserschweißschweißverbindung 400 zwischen den Substraten 102 und 104 zu erzeugen. Insbesondere wird der fokussierte Laserstrahl in Richtung einer Region der Verbindungsfläche 108 gerichtet, von der geschmolzenes Material herausgeblasen wurde. Eine einzelne Laserquelle 204 (z. B. Dauerstrich-Laserquelle und Übertragungsfaser) wird genutzt, um sowohl den fokussierten Laserstrahl 208 als auch den nicht fokussierten Laserstrahl 206 zu erzeugen.
7 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung, die die Benutzung der separaten Laseroptikbaueinheiten 200a und 200b für die Erzielung des Entfernens des Materials der Vorbeschichtung und das Durchführen des Laserschweißens in einem einzigen Durchgang zeigt. Insbesondere erhält eine erste Laseroptikbaueinheit 200a Laserlicht von einer ersten Dauerstrich-Laserquelle durch eine erste Faser, insgesamt bezeichnet als erste Laserquelle 204a, und sendet einen nicht fokussierten Laserstrahl 206 in Richtung der angrenzenden Oberflächenbereiche der Platten auf jeder Seite der Verbindungsfläche 108. Der nicht fokussierte Laserstrahl 206 schmilzt das Material der Vorbeschichtung 106 innerhalb der angrenzenden Oberflächenbereiche, jedoch verdampft und stößt er kein geschmolzenes Material aus. Vielmehr wird die Leitung 202 genutzt, um einen Gasstrom auf das geschmolzene Material zu richten, um mit einer ausreichenden Kraft das geschmolzene Material aus den angrenzenden Oberflächenbereichen wegzublasen. Die Leitung 202 steht in Fluidverbindung mit einer Hochdruck-Gasquelle (nicht abgebildet). Eine zweite Laseroptikbaueinheit 200b, welche hinter der ersten Laseroptikbaueinheit 200a in der Scanrichtung hinterherfolgt, erhält das Laserlicht von einer zweiten Dauerstrich-Laserquelle via einer zweiten Faser, insgesamt bezeichnet als zweite Laserquelle 204b, und sendet einen fokussierten Laserstrahl 208 in Richtung der Verbindungsfläche 108, um eine Laserschweißschweißverbindung 400 zwischen den Platten zu erzeugen. Insbesondere wird der fokussierte Laserstrahl auf einen Bereich entlang der Verbindungsfläche 108 aus dem das geschmolzene Material weggeblasen wurde, gerichtet. Die separaten Laserquellen 204a und 204b werden genutzt, um den nicht fokussierten Laserstrahl 206 und beziehungsweise den fokussierten Laserstrahl 208 zu erzeugen.
8 und 9 veranschaulichen eine optionale Ausführungsform, bei der der Laserstrahl unter Verwendung von optischen Elementen geformt ist, um die Entfernung der Vorbeschichtung zu erzielen. In dem spezifischen und nicht einschränkenden Beispiel, das in 8 und 9 dargestellt ist, wird eine Laserstrahloptik verwendet, um einen geformten Doppelstrahl-Laserfleck zu erzeugen. In 8 ist eine vereinfachte Draufsicht, die eine erste vorbeschichtete Platte 800 und eine zweite vorbeschichtete Platte 802 Seite an Seite angeordnet zeigt, wobei eine Verbindungsfläche 800 dazwischen definiert wird. In dem spezifischen und nicht einschränkenden Beispiel, das in 8 dargestellt wird, wird eine Doppelstrahl-Optik verwendet, um den geformten Laserfleck 806 zu erzeugen, der entlang der Verbindungsfläche 804 zwischen den Platten 800 und 802 gescannt wird, wobei das Material der Vorbeschichtung innerhalb des Bereichs 808 entfernt wird. 9 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die erste und zweite Platte 800 und 802 zeigt, und die eine Doppelstrahl-Optik 900, die einen geformten Laserstrahl 902 erzeugt, der den geformten Laserfleck 806 erzeugt, darstellt. In dem Beispiel, das in 8 und 9 dargestellt ist, sind die Stahlsubstrate 904 und 906 der Platten 800 und 802 im Wesentlichen von derselben Dicke und die Vorbeschichtung 908 auf jeder der Platten 800 und 802 ist ebenso im Wesentlichen von derselben Dicke. Diese Art des Strahlformens ist ebenso nützlich, wenn Platten bearbeitet werden, die Substrate mit unterschiedlichen Dicken aufweisen, die durch Laserschweißen gefügt werden sollen.
Die mit Bezug auf 2–9 oben beschriebenen Verfahren werden auf einer einzelnen Arbeitsstation ausgeführt. Die Arbeitsstation umfasst eine Abstützung, wie beispielsweise eine Befestigung, um die Baueinheit der Platten während des Entfernens des Materials der Vorbeschichtung und während des Laserschweißens fest zu halten. Aufgrund des einzelnen Aufbaus sind die Laserstrecken für die Entfernung des Materials der Vorbeschichtung und für das Laserschweißen sehr nah zueinander angeordnet. Daher wird es möglich, die effektive Breite der angrenzenden Oberflächenbereiche, aus denen das Material der Vorbeschichtung entfernt wird, auf einen für das Laserschweißen optimalen Wert einzustellen. Auf diese Weise bleibt die ganze schützende Vorbeschichtung, die an die Schweißnaht 400 angrenzt, intakt und gleichzeitig wird die Laserschweißschweißverbindung nicht durch die Bildung intermetallischer Bereiche geschwächt. Eine nicht dargestellte Walzenbaueinheit, die zum Walzen einer freien Kante einer Platte angeordnet ist, kann genutzt werden, um eine präzise Anordnung der durch den nicht fokussierten Laserstrahl aufgeheizten Stelle sicherzustellen. Die Temperatur in der aufgeheizten Stelle kann auf Basis der von ihr ausgehenden Infrarot-Emissionen überwacht werden, und die erhaltene Temperatur kann genutzt werden, um die Laserquellenleistung zu regeln, um nur einen erwünschten Teil der Vorbeschichtung zu entfernen, während das Substratmaterial in fester Form verbleibt.
In den mit Bezug auf 2–9 oben beschriebenen Verfahren wird die komplette Vorbeschichtung 106 innerhalb der Bereiche, die an der Verbindungsfläche 108 angrenzen und entlang derer die Laserschweißverbindung 400 erzeugt wird, entfernt. Daher werden die metallische Legierungsschicht und die intermetallische Legierungsschicht entfernt und die darunterliegenden Stahlsubstrate 102 und 104 werden freigelegt. Optional wird die intermetallische Legierungsschicht unberührt gelassen oder wird nur teilweise entfernt und die metallische Legierungsschicht wird vollständig entfernt innerhalb der zu der Verbindungsfläche 108 angrenzenden Bereiche. Ferner optional werden die metallische Legierungsschicht, die intermetallische Legierungsschicht und zusätzlich eine relativ kleine Menge der Stahlsubstrate 102 und 104 entfernt. Das Entfernen einer kleinen Menge Stahlsubstrats hat keine Auswirkungen auf die Schweißnaht, wenn die zu verschweißenden Platten unterschiedliche Dicken aufweisen.
Selbstverständlich sind die Verfahren und das System wie oben beschrieben ebenso nützlich für das Laserschweißen von vorbeschichteten Werkstücken in anderen Anwendungsbereichen. Beispielsweise kann ein Aluminium-Silikon vorbeschichtetes Stahlblech warmumgeformt werden, um ein erstes Werkstück in der gewünschten Form zu erzeugen, welches dann durch Laserschweißen mit einem zweiten Werkstück, beispielsweise einem bearbeiteten Bauteil, gefügt wird, wobei im Wesentlichen das wie oben beschriebene Verfahren und das wie oben beschriebene System verwendet werden. Im letztgenannten Fall ist es notwendig das Material der Vorbeschichtung nur von dem ersten Werkstück zu entfernen, da das zweite Werkstück keine Vorbeschichtung aufweist. Alternativ wird eine Kante des blechförmigen Werkstücks mit einer anderen Kante desselben blechförmigen Werkstücks oder mit einer Kante eines anderen blechförmigen Werkstücks verbunden, wobei in diesem Fall das Entfernen des Materials der Vorbeschichtung entlang der beiden zu verschweißenden Kanten notwendig ist.
Nun unter Bezug auf 10A–D wird ein Verfahren zum Fügen einer umgeformten Komponente mit einem bearbeiteten Bauteil dargestellt, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform. 10A zeigt ein umgeformtes Bauteil 1000 mit einer zentralen Öffnung 1002. Anhand eines spezifischen und nicht einschränkenden Beispiels, ist das umgeformte Bauteil 100 eine Nabe einer Getriebekomponente. Beispielsweise wird das umgeformte Bauteil 1000 aus einer Al-Si vorbeschichteten Stahlblechrohling, beispielsweise Usibor^®, hergestellt. Das Blech wird oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt und wird dann in seine endgültige Form in einem Werkzeug umgeformt, worauf ein schnelles Abschrecken folgt.
Ebenso in 10A dargestellt ist ein bearbeitetes Bauteil 1004, an dessen Ende ein zentraler Vorsprung ausgeformt ist. Wie in 10B dargestellt, ist der Vorsprung 1006 so geformt und dimensioniert, um durch die zentrale Öffnung 1002 des umgeformten Bauteils 1000 aufgenommen zu werden, wonach das umgeformte Bauteil 1000 und das bearbeitete Bauteil 1004 durch Laserschweißen zusammen gefügt werden. Leider kann die Al-Si Beschichtung, wie zuvor beschrieben, starke Rissbildung in der Schweißnaht verursachen.
Nun unter Bezug auf 10C, werden die umgeformte Komponente 1000 und das verarbeitete Bauteil 1004 in montiertem Zustand gezeigt, derart dass der Vorsprung 1006 durch die zentrale Öffnung 1002 aufgenommen wird. 10c zeigt einen Schritt lokalisierten Entfernens der Al-Si Beschichtung von der Oberfläche der umgeformten Komponente 1000, um den dazu gehörigen Umfang der zentralen Öffnung 1002. Insbesondere empfängt die Laseroptikbaueinheit 1010 Laserlicht von einem Dauerstrich-Laserquelle via einer Faser, insgesamt bezeichnet als Laserquelle 1012, und sendet einen nicht fokussierten Laserstrahl 1014 in Richtung des Bereichs der umgeformten Komponente 1000, die unmittelbar angrenzt an die Verbindungsfläche zwischen der umgeformten Komponente 1000 und der bearbeiteten Bauteil 1004. Da das verarbeitete Bauteil keine Al-Si Beschichtung aufweist, kann der nicht fokussierte Laserstrahl nur auf das umgeformte Bauteil 1000 gerichtet werden. Anhand eines Beispiels umfasst die Laseroptikbaueinheit 1010 mindestens eine Linse, und eine Faser der Laserquelle 1012 ist entweder eine einzelne Kernfaser oder ein mehrere Fasern umfassendes Bündel. Der nicht fokussierte Laserstrahl 1014 schmilzt Material der Al-Si Beschichtung angrenzend an die Verbindungsfläche, das heißt um den Umfang der zentralen Öffnung 1002, jedoch verdampft oder stößt er das geschmolzene Material nicht aus. Vielmehr wird eine Leitung 1016 genutzt, um einen Gasstrom auf das geschmolzene Material zu richten, mit genügend Kraft um das geschmolzene Material von der darunterliegenden Stahlsubstrat des umgeformten Bauteils 1000 wegzublasen, bevor das geschmolzene Material wieder erstarrt. Die Leitung 202 steht in Fluidverbindung mit einer Hochdruck-Gasquelle (nicht gezeigt). Ferner gilt es zu verstehen, dass wie in 10C bildlich dargestellt, die Bauteile nicht mechanisch miteinander gefügt werden, sondern lediglich angeordnet und in einer Vorrichtung oder in einer anderen geeigneten Abstützung gehalten werden. Insbesondere wird jedes Bauteil positioniert und fest gehalten in Position relativ zu dem anderen während des Entfernens der Al-Si Beschichtung und während des darauf folgenden Laserschweißens. Wie in 10D dargestellt werden dieselbe Laseroptikbaueinheit 1010 und Laserquelle 1012, die genutzt wurden, um die Al-Si Beschichtung zu entfernen, ebenfalls genutzt um einen fokussierten Laserstrahl 1018 entlang einer Schweißlinie zu führen, um eine Laserschweißschweißverbindung 1020 zwischen der umgeformten Komponente 1000 und dem bearbeiteten Bauteil 1004 zu erzeugen. Das Leitung 1016 ist nicht in 10D dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu verbessern.
Die Laserschweißschweißverbindung 1020 wird während eines zweiten Durchgangs, nachdem das Material der Al-Si Beschichtung während des ersten Durchgangs entfernt wurde, erzeugt. Die Laseroptikbaueinheit 1010 kann in dieselbe Richtung scannen, wie während des zweiten Durchgangs, um die Laserschweißschweißverbindung 1020 zu erzeugen, und während des ersten Durchgangs zur Entfernung der Al Si Beschichtung. Optional wird die Laseroptik 1010 für die Erstellung der Laserschweißschweißverbindung 1020 und für die Entfernung des Materials der Al-Si Beschichtung in entgegengesetzte Richtungen gescannt.
Während hier mehrere erfinderische Ausführungsformen beschrieben und veranschaulicht wurden, werden übliche Fachleute sich einfach eine Vielzahl anderer Bedeutungen und/oder Strukturen zur Erlangung der Funktion und/oder zur Gewinnung des Ergebnisses und/oder eines hier vorgestellten Vorteiles oder mehrerer hier vorgestellter Vorteile vorstellen können, und jede solcher Variationen und/oder Modifikationen werden als innerhalb des hier beschriebenen Umfangs der Erfindung und der Ausführungsformen liegend erachtet. Allgemeiner werden Fachleute sich einfach bewusst darüber sein, dass alle Parameter, Abmessungen, Materialien und Konfigurationen, die hier beschrieben werden, beispielhaft gemeint sind und dass die tatsächlichen Parameter, Abmessungen, Materialien und/oder Konfigurationen von der jeweiligen Anwendung abhängen werden oder von den jeweiligen Anwendungen abhängen werden, auf die die erfinderische Lehre angewendet wird. Fachleute werden erkennen oder in der Lage sein festzustellen, dass mit nicht mehr als routinemäßigem Experimentieren viele Äquivalente hinsichtlich der spezifischen erfindungsgemäßen Ausführungsformen beschrieben werden. Daher gilt es zu verstehen, dass vorangehende Ausführungsformen nur anhand von Beispielen vorgestellt wurden und dass innerhalb des Schutzbereichs der angefügten Ansprüche und deren Entsprechungen erfindungsgemäße Ausführungsformen auf andere Weise als in den Ansprüchen spezifisch beschrieben und beansprucht, umgesetzt werden können. Erfindungsgemäße Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden auf jede/s/n individuelle/s/n Merkmal, System, Artikel, Material, Zubehör, und/oder Methode, bezogen, die/das/der hier beschrieben wird. Zusätzlich ist jede Kombination von zwei oder mehreren solchen Merkmalen, Systemen, Artikeln, Materialien, Zubehören, und/oder Methoden, wenn solche Merkmale, Systeme, Artikel, Materialien, Zubehöre, und/oder Methoden nicht wechselseitig widersprüchlich sind, von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung umfasst.
Alle Definitionen, wie hier definiert und beschrieben, sollten so verstanden werden, dass diese über Definitionen aus Wörterbüchern und/oder gewöhnlichen Bedeutungen der definierten Begriffe Vorrang haben. Die unbestimmten Artikel „ein” und „eine”, wie sie hier in den Spezifizierung und Ansprüchen definiert sind, sollten, sofern nicht eindeutig das Gegenteil angegeben ist, so verstanden werden, dass sie „mindestens ein/eine” bedeuten. Der Ausdruck „und/oder”, wie er hier in den Spezifizierung und Ansprüchen definiert ist, sollte so verstanden werden, dass er „einer oder beide” hinsichtlich der so verbundenen Elemente bedeutet, z. B. Elemente die verbunden vorliegen und in nicht verbunden vorliegen in anderen Fällen.
Mehrere Elemente, die mit „und/oder” aufgelistet werden, sollten in derselben Weise ausgelegt werden, z. B. „eine oder mehrere” der so verbundenen Elemente. Andere Elemente können optional vorliegend sein anders als die Elemente die spezifisch mit dem „und/oder” Satz identifiziert sind. Daher, als ein nicht einschränkendes Beispiel, kann der Bezug auf „A und/oder B”, wenn in Verbindung mit einer offenen Sprache wie „umfassen”, sich in einer Ausführungsform beziehen nur auf A (optional andere Elemente als B enthaltend); in einer anderen Ausführungsform, nur auf B (optional andere Elemente als A enthaltend); in noch einer anderen Ausführungsform, auf beide A und B (optional andere Elemente enthaltend); et cetera.
Wie hier in der Beschreibung und Ansprüchen genutzt, sollte „oder” so verstanden werden, dass es dieselbe Bedeutung wie „und/oder” hat, wie oben definiert. Zum Beispiel wenn Gegenstände in einer Liste separiert werden, sollten „oder” oder „und/oder” als einbeziehend interpretiert werden, z. B. die Einbeziehung von mindestens einem, jedoch auch die Einbeziehung von mehr als einem, aus mehreren oder einer Liste von Elementen, und, optional zusätzliche nicht gelistete Elemente. Nur Ausdrücke, die deutlich das Gegenteil anzeigen, wie beispielsweise „nur einer von” oder „exakt einer von”, oder, wenn in den Ansprüchen verwendet wird, ”besteht aus”, wird sich auf die Einbeziehung exakt nur einen Elements aus mehreren oder einer Liste von Elementen bezogen. Im Allgemeinen sollte der Ausdruck „oder”, wie hier verwendet, nur interpretiert werden als das Hinweisen auf eine exklusive Alternative (z. B. „das eine oder das andere aber nicht beide”) wenn vorrausgehend Ausdrücke der Exklusivität, wie „einer von beiden”, „einer von”, „nur einer von”, oder „genau einer von”. „Besteht im Wesentlichen aus”, wenn in den Ansprüchen verwendet, sollte seine ordinäre Bedeutung, wie im Patentrechtswesen genutzt, haben.
Wie hier in der Spezifikation und den Ansprüchen verwendet, sollte der Ausdruck „mindestens ein” in Bezug auf eine Liste von einem oder mehreren Elementen so verstanden werden, dass er mindestens ein Element aus irgendeinem oder irgendwelchen Elementen aus der Liste auswählend bedeutet, jedoch nicht notwendigerweise mindestens eines von beiden oder jedem Element/en, welche/s speziell innerhalb der Liste der Elemente gelistet ist/sind und ohne das Ausschließen irgendeiner Kombination von Elementen aus der Liste der Elemente einbeziehend bedeutet. Diese Definition erlaubt außerdem, dass Elemente optional präsent sein können, und zwar andere als die innerhalb der Liste identifizierten Elemente, auf die sich der Ausdruck „mindestens ein” bezieht, unabhängig davon, ob auf die speziell identifizierten Elemente bezogen oder nicht bezogen. Daher, als ein nicht einschränkendes Beispiel, ”mindestens ein von A und B” (oder, äquivalent „mindestens ein von A oder B”, oder äquivalent „mindestens ein von A und/oder B”) kann sich in einer Ausführungsform beziehen auf mindestens ein, optional mehr als ein, A, mit keinem B präsent (und optional andere als Elemente von B enthaltend); in einer anderen Ausführungsform auf mindestens ein, optional mehr als B enthaltend mit keinem A präsent (und optional andere Elemente als von A enthaltend); und in einer anderen Ausführungsform auf mindestens ein, optional mehr als ein, A, und mindestens ein, optional ein anderes als B enthaltend (und optional andere Elemente enthaltend); et cetera.
Es sollte außerdem verstanden werden, dass, falls nicht eindeutig gegenteilig angegeben, in jeder hier beanspruchten Methode, die mehr als einen Schritt oder eine Handlung beinhaltet, die Reihenfolge der Schritte oder Handlungen nicht notwendigerweise auf die Reihenfolge, in der die Schritte und Handlungen der Methoden hier vorgetragen werden, beschränkt ist.
Zahlenbereiche umfassen die Endpunkt-Werte, die den Bereich definieren. Beispielsweise enthält „zwischen 1100°C und 1200°C” sowohl 1100°C als auch 1200°C, ebenso wie alle Temperaturen zwischen 1100°C und 1200°C.
In den Ansprüchen, wie auch in den obigen Spezifikationen, alle Übergangswörter wie beispielsweise „umfassen”, „beinhalten”, „tragen”, „aufweisen”, „enthaltend”, „einbeziehen”, „halten”, „bestehend aus”, und dergleichen sind offen zu verstehen, z. B. enthaltend aber nicht beschränkt auf bedeutend. Nur das Übergangswort „bestehend aus” und „bestehend im Wesentlichen aus” sollen geschlossene oder respektive halbgeschlossene Übergangswörter sein.
Die vorhergehenden Beschreibungen von mehreren Methoden und Ausführungsformen der Erfindung wurden zu Zwecken der Veranschaulichung präsentiert. Es wird nicht beabsichtigt, exhaustiv zu sein oder die Erfindung einzuschränken auf exakte Schritte und/oder offenbarte Formen, und offensichtlich sind viele Modifikationen und Änderungen im Lichte der obigen Lehre möglich. Es wird beabsichtigt, dass der Schutzbereich der Erfindung und alle Äquivalente durch die angehängten Ansprüche definiert werden.

Claims

Verfahren zum Laserschweißen, umfassend: auf einer ersten Arbeitsstation, Anordnen eines ersten Werkstücks relativ zu einem zweiten Werkstück, so dass das erste und zweite Werkstück entlang einer Verbindungsfläche aneinanderstoßen, wobei mindestens eines des ersten und zweiten Werkstücks ein Stahlsubstrat und eine Vorbeschichtung umfasst, wobei die Vorbeschichtung eine intermetallische Legierungsschicht umfasst, die in Kontakt mit dem darunterliegenden Stahlsubstrat steht, sowie eine metallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit der intermetallischen Legierungsschicht steht; Scannen eines nicht fokussierten Laserstrahls entlang der Verbindungsflächen zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück, wodurch das Material der Vorbeschichtung innerhalb eines unmittelbar an die Verbindungsfläche angrenzenden Bereichs schmilzt; während des Scannens des nicht fokussierten Laserstrahls und bevor das geschmolzene Material wieder erstarrt, Richten eines Gasstroms auf das geschmolzene Material, wobei der Gasstrom genügend Kraft bereitstellt, um das geschmolzene Material von dem darunterliegenden Stahlsubstrat von mindestens einem des ersten oder des zweiten Werkstücks wegzublasen; und ohne das erste und zweite Werkstück von der Arbeitsstation zu einer anderen Arbeitsstation zu übertragen, Scannen eines fokussierten Laserstrahls entlang der Verbindungsfläche, um eine Laserschweißschweißverbindung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Nutzung nur einer Laserquelle für das Schmelzen des Materials der Vorbeschichtung und das Erzeugen der Laserschweißschweißverbindung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmelzen des Materials der Vorbeschichtung und das Erzeugen der Laserschweißnaht in einem Durchgang durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, umfassend das Aufteilen eines Quell-Laserstrahls unter Verwendung eines Strahlteilers, um den nicht fokussierten Laserstrahl und den fokussierten Laserstrahl zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 3, umfassend das Nutzen einer ersten Laserquelle, um den nicht fokussierten Laserstrahl zu erzeugen, und das Nutzen einer zweiten Laserquelle, um den fokussierten Laserstrahl zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmelzen des Materials der Vorbeschichtung in einem ersten Durchgang durchgeführt wird und das Erzeugen der Laserschweißnaht in einem zweiten Durchgang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, umfassend das Nutzen nur einer Laserquelle für das Schmelzen des Materials der Vorbeschichtung und für das Erzeugen der Laserschweißverbindung.
Verfahren nach Anspruch 6, umfassend das Nutzen einer ersten Laserquelle um den nicht fokussierten Laserstrahl zu erzeugen und das Nutzen einer zweiten Laserquelle um den fokussierten Laserstrahl zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das geschmolzene Material aus geschmolzener metallischer Legierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das geschmolzene Material aus geschmolzenem metallischen Legierungsmaterial und Material der geschmolzenem intermetallischen Legierungsschicht besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das geschmolzene Material aus geschmolzenem metallischen Legierungsmaterial, geschmolzenem Material der intermetallischen Legierungsschicht und geschmolzenem Material des Stahlsubstrats besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Scannen des nicht fokussierten Laserstrahls die Nutzung strahlformender optischer Elemente, um den nicht fokussierten Laserstrahl zu formen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die strahlformende Optik eine Doppelstrahl-Optik ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nur eines des ersten oder des zweiten Werkstücks das Material der Vorbeschichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das eine des ersten und zweiten Werkstücks ein blechförmiges Bauteil ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beide des ersten und zweiten Werkstücks das Material der Vorbeschichtung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste und zweite Werkstück vorbeschichtete Blechplatten sind, die für das Zusammenschweißen bestimmt sind, um ein stumpfgeschweißtes Blech zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bereich innerhalb dessen das Material der Vorbeschichtung geschmolzen wird, im Wesentlichen von derselben Größe ist wie die Laserschweißverbindung.
System zum Laserschweißen, umfassend: eine Abstützung zum Halten eines ersten Werkstücks in einer vordefinierten Orientierung relativ zu einem zweiten Werkstück, so dass das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück entlang einer Verbindungsfläche anstößt, wobei mindestens eines des ersten und zweiten Werkstücks ein Stahlsubstrat umfasst, das eine darüber geformte Vorbeschichtung aufweist; mindestens eine Laseroptikbaueinheit in optischer Verbindung mit einer Laserquelle; mindestens einen Aktuator zur relativen Bewegung der mindestens einen Laseroptikbaueinheit relativ zu der Abstützung; und eine Leitung in Verbindung mit einer Gasquelle für das Richten eines Gasstroms auf einen vordefinierten Punkt entlang der Verbindungsfläche zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück, wobei während der Nutzung der mindestens eine Aktuator die mindestens eine Laseroptikbaueinheit relativ zu der Abstützung bewegt, so dass die mindestens eine Laseroptikbaueinheit einen nicht fokussierten Laserstrahl entlang der Verbindungsfläche scannt, um das Material der Vorbeschichtung innerhalb eines Bereichs, der unmittelbar an die Verbindungsfläche angrenzt, zu schmelzen, und so dass die mindestens eine Laseroptikbaueinheit darauffolgend einen fokussierten Laserstrahl entlang der Verbindungsfläche zur Erzeugung einer Laserschweißverbindung scannt, und wobei der vordefinierte Punkt entlang der Verbindungsfläche ein Punkt ist, der in Richtung des Scans hinter dem nicht fokussierten Laserstrahl angeordnet ist, und wobei der Gaststrom genug Kraft erzeugt, um das geschmolzene Material der Vorbeschichtung von der darunterliegenden Stahlsubstratschicht von mindestens einem des ersten und zweiten Werkstücks wegzublasen, bevor der fokussierte Laserstrahl scannt, um die Laserschweißverbindung zu erzeugen.
System nach Anspruch 19, wobei die mindestens eine Laseroptikbaueinheit aus einer Laseroptikbaueinheit besteht.
System nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine Laseroptikbaueinheit einen Strahlteiler zur Formung des nicht fokussierten Laserstrahls und des fokussierten Laserstrahls umfasst.
System nach Anspruch 19, wobei die mindestens eine Laseroptikbaueinheit aus einer ersten Laseroptikbaueinheit zur Formung des nicht fokussierten Laserstrahls und einer zweiten Laseroptikbaueinheit zur Formung des fokussierten Laserstrahls besteht.
System nach Anspruch 19, wobei die mindestens eine Laseroptikbaueinheit eine strahlformende Optik umfasst.
System nach Anspruch 23, wobei die strahlformende Optik eine Doppelstrahloptik ist.
System nach Anspruch 19, wobei nur eines des ersten und zweiten Werkstücks das Material der Vorbeschichtung umfasst.
System nach Anspruch 25, wobei dasjenige des ersten und zweiten Werkstücks ein blechförmiges Bauteil ist.
System nach Anspruch 19, wobei beide des ersten und zweiten Werkstücks das Material der Vorbeschichtung umfassen.
System nach Anspruch 27, wobei das erste und das zweite Werkstück vorbeschichtete Blechplatten sind, die für das Zusammenschweißen bestimmt sind, um ein stumpfgeschweißtes Blech zu erzeugen.
System nach Anspruch 19, wobei der Bereich, innerhalb dessen das Material der Vorbeschichtung geschmolzen wird, im Wesentlichen von derselben Größe ist wie die Laserschweißverbindung.