-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und ein System zum Laserschweißen von Metallblechkomponenten, wie zum Beispiel Komponenten zur Verwendung in Automobilen und anderen Anordnungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System zum Laserschweißen beschichteter Metallblechplatten unter der Hinzufügung von Legierungselementen in die Schmelze.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die Automobilindustrie begegnet einer kontinuierlichen Herausforderung, die Sicherheit und Crash-Überlebensfähigkeit bzw. Aufprallstabilität der von ihr produzierten Fahrzeuge zu verbessern, und gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, um gesetzliche Mindeststandards zu erfüllen oder zu übertreffen. Ein Vorgehen zum Erreichen beider Ziele setzt auf die Verwendung leichterer Materialien, die eine exzellente mechanische Festigkeit, hohe Stoßfestigkeit usw. aufweisen. Auf diese Weise kann das Fahrzeuggesamtgewicht reduziert werden, um so eine verbesserte Kraftstoffeffizienz zu erreichen, ohne das Energieabsorptionsvermögen im Falle einer Kollision 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.
-
Oft ist es notwendig, verschiedene Metallblechplatten miteinander zu verbinden, um das gewünschte Bauteil zu bilden. Beispielsweise werden „stumpfgeschweißte Bleche” durch Zusammenfügen, vorzugsweise durch Laserschweißen, aus zwei oder mehr Stahlrohlingen verschiedener Zusammensetzung und/oder Dicken gebildet. Nachdem die verschweißten Bleche kalt gedrückt worden sind, werden Bauteile mit variierenden Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Pressbarkeit, und Aufprallabsorption erhalten, die innerhalb der Bauteile selbst variieren. Daher ist es möglich, verschiedene mechanische Eigenschaften an verschiedenen Stellen innerhalb eines Bauteils bereitzustellen, ohne dass dies einen unnötigen oder kostenintensiven Nachteil für das gesamte 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 gebildet wurde, derart dass die Aufprallenergie auf eine gewünschte Weise sicher absorbiert wird.
-
Um die Notwendigkeit der Bereitstellung einer kontrollierten Steuerung der Atmosphäre innerhalb des Ofens während der Warmformgebung solcher laserschweißverbundenen Bleche zu vermeiden und um ebenfalls eine verbesserte 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 übergeht, der während des Schweißvorgangs erzeugt 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 sich spröde, intermetallische Verbindungen in der geschweißten Verbindung bilden. Bei einer 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 darauffolgende Legieren und Austenitisieren vorhanden sind. Ein weiterer aus Aluminiumkontamination in dem Schweißmetall resultierender nachteiliger Effekt ist die Hemmung der Bildung eines Martensitgefüges in einem nachfolgenden Warmumformvorgang, derart dass das Schweißmetall eine verringerte Festigkeit aufweist.
-
Canourgues u. a. merken in dem
US-Patent 8,614,008 an, dass es wünschenswert ist, die Ursache für die voranstehend genannten intermetallischen Verbindungen zu entfernen, und zwar die erste anfängliche Metalloberflächenbeschichtung, die beim Laserschweißen geschmolzen wird. Allerdings führt die Beseitigung der vorbeschichteten Bereiche auf beiden Seiten der zukünftigen Schweißnaht zu Bereichen auf beiden Seiten nach dem Schweißvorgang, die über keinerlei Oberflächen-Metallvorbeschichtung mehr 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, um so keine darauf folgenden Entstehung von intermetallischen Bereichen zu förder. Canourgues u. a. 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. Des weiteren sind es diese unbeschichteten und daher ungeschützten Bereiche, die zu Korrosion neigen, wenn das Bauteil in Betrieb ist.
-
Canourgues u. a. offenbaren weiter ihre überraschende Entdeckung, wonach die Entfernung nur eines Teils der Vorbeschichtung noch ausreichend ist, um das voranstehend genannte Korrosionsproblem zu lösen. Insbesondere sieht ihre Lösung das Entfernen der kompletten Dicke der metallischen Legierungsschicht vor, während die darunterliegende intermetallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit dem Stahlsubstrat steht, an Ort und Stelle belassen wird. Canourgues u. a. betonen die präzise Entfernung der metallischen Legierungsschicht, die das Messen 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 bis 40% breiter sein als die halbe Breite der Schweißverbindung. Während des Schweißverfahrens kann die Metalllegierung nicht in das Schmelzbad schmelzen, und somit bilden sich 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 zur Bildung intermetallischer Verbindungen in der Schweißverbindung bei.
-
Die Lösung, die durch Canourgues u. a. offenbart wird, ist elegant und führt zu einer gegen Korrosion geschützten belastbaren Schweißverbindung, ist 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. Des weiteren ist das Verfahren zeitaufwendig 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 separaten Bauteile in der zweiten Arbeitsstation zusammengeschweißt. Natürlich 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 Laseroptikanordnung, usw. 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 u. a. die Nutzung eines Strahles mit hoher Energiedichte, der eine Verdampfung und eine Verdrängung der Oberfläche der Vorbeschichtung verursacht.
-
Es wäre vorteilhaft, zumindest einige der voranstehend genannten Begrenzungen und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Laserschweißverbinden von Metallblechplatten offenbart, bei dem die Metallblechplatten mit einer aluminium-silikonhaltigen Schicht vorbeschichtet sind und das Verfahren folgendes umfasst: Anordnen der vorbeschichteten Metallblechplatten relativ zueinander, derart dass ein Rand einer der Platten benachbart ist zu und in Kontakt steht mit einem Rand der anderen der Platten; Bilden der Laserschweißverbindung entlang der benachbarten Ränder der vorbeschichteten Metallblechplatten, ohne Entfernen der aluminium-silikonhaltigen Schicht entlang der genannten benachbarten Ränder, derart dass das Aluminium aus der aluminium-silikonhaltigen Schicht in eine Schmelze eintritt, das während des Bildens der Laserschweißverbindung gebildet wird; und Zuführen eines Legierungsmaterials in die Schmelze während des Bildens der lasergeschweißten Verbindung, wobei das Legierungsmaterial und mindestens ein Teil des Aluminiums, das aus der aluminium-silikonhaltigen Schicht in die Schmelze eintritt, eine Verbindung in der Schmelze bilden.
-
Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der voriegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Laserschweißverbinden von Metallblechplatten offenbart, bei dem die Metallblechplatten ein Substrat aufweisen, das mit einer aluminium-silikonhaltigen Schicht vorbeschichtet ist, das Verfahren umfasst: Anordnen einer ersten vorbeschichteten Metallblechplatte relativ zu einer zweiten vorbeschichteten Metallblechplatte, derart dass ein Rand der ersten Platte und ein Rand der zweiten Platte zueinander benachbart angeordnet sind und eine Grenzfläche zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte definieren; Scannen eines nicht fokussierten Laserstrahls entlang der Grenzfläche zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte, wodurch die benachbarten Ränder der ersten und zweiten Platte bestrahlt werden; während des Scannens des fokussierten Laserstrahls, Richten eines gepulverten Legierungsmaterials in Richtung der bestrahlten Ränder der ersten und zweiten Platten, wodurch eine Hüllschicht aus dem gepulverten Legierungsmaterial auf der aluminium-silikonhaltigen Vorbeschichtung gebildet wird; und nach dem Bilden der Hüllschicht, Scannen eines fokussierten Laserstrahls entlang der Grenzfläche zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte, um eine Laserschweißverbindung dazwischen zu bilden, wobei der fokussierte Laserstrahl eine Schmelze erzeugt und das Substratmaterial aus der ersten und zweiten Platte, Aluminium aus der aluminium-silikonhaltigen Vorbeschichtung und Legierungsmaterial aus der Hüllschicht umfasst; und wobei das Legierungsmaterial eine Verbindung mit mindestens einem Teil des Aluminiums in der Schmelze bildet.
-
Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Laserschweißverbinden von Metallblechplatten offenbart, bei dem die Metallblechplatten mit einer aluminium-silikonhaltigen Schicht vorbeschichtet sind und das Verfahren folgendes umfasst: Anordnen einer ersten vorbeschichteten Metallblechplatte relativ zu einer zweiten vorbeschichteten Metallblechplatte, derart dass ein Rand der ersten Platte und ein Rand der zweiten Platte benachbart zueinander sind und eine Grenzfläche zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte definieren; in einem einzigen Durchgang, Bestrahlen eines Bereichs von jeder der Platten, der zu der Grenzfläche benachbart ist, mit einem fokussierten Laserstrahl, um derart eine Schmelze zu bilden, die Aluminium aus der aluminium-silikonhaltigen Schicht innerhalb des Bestrahlten Bereichs von jeder Platte enthält; und während des Bestrahlens, Einleiten eines Legierungsmaterials in die Schmelze, bei dem das Legierungsmaterial eine Verbindung mit mindestens einem Teil des Aluminiums in der Schmelze bildet.
-
Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System für das Laserschweißverbinden von vorbeschichteten Metallblechplatten offenbart, das folgendes umfasst: eine Abstützung zum Halten einer ersten vorbeschichteten Metallblechplatte in einer vordefinierten Orientierung relativ zu einer zweiten vorbeschichteten Metallblechplatte, derart dass ein Rand der ersten Platte und ein Rand der zweiten Platte benachbart zueinander angeordnet sind und eine Grenzfläche definieren; mindestens eine Laseroptikanordnung in optischer Verbindung mit einer Laserquelle; mindestens ein Aktor zum relativen Bewegen der mindestens einen Laseroptikanordnung relativ zu der Abstützung; und eine Pulverzuführleitung in Verbindung mit einer Quelle gepulverten Legierungsmaterials und mit einem Austrittsende, das vor der mindestens einen Laseroptik entlang der Scanrichtung angeordnet ist, bei der die Position des Austrittendes der Pulverzuführleitung relativ zu der mindestens einen Laseroptik zum Richten eines Stroms aus gepulvertem Legierungsmaterial in Richtung eines vordefinierten Punkts entlang der Grenzfläche während des relativen Bewegens der mindestens einen Laseroptikanordnung relativ zur Abstützung fixiert ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen ähnliche Bezugsnummern ähnliche Elemente über mehrere Ansichten hinweg kennzeichnen, beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. In bestimmten Fällen wurden für ein Verständnis der Offenbarung nicht notwendige Details oder solche, die das Wahrnehmen anderer Details erschweren, weggelassen.
-
1A ist eine perspektivische Darstellung, die einen Laserhüllschritt eines zweischrittigen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, in dem eine Hüllschicht eines Legierungsmaterials entlang einer zukünftigen Schweißverbindung zwischen benachbarten Rändern vorbeschichteter Metallblechplatten gebildet wird.
-
1B ist eine Seitenansicht, die den Rand einer der vorbeschichteten Metallblechplatten der 1A während des Laserhüllschritts des zweischrittigen Verfahrens zeigt.
-
2A ist eine perspektivische Darstellung, die einen Laserschweißschritt des zweischrittigen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, in dem das Legierungsmaterial aus der Hüllschicht in die Schmelze zugemischt wird.
-
2B ist eine Seitenansicht, die einen Rand einer der vorbeschichteten Metallblechplatten der 2A während des Laserschweißschritts des zweischrittigen Verfahrens zeigt.
-
3A ist eine perspektivische Darstellung, die ein einschrittiges Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, in dem ein Legierungsmaterial in Pulverform in eine Schmelze gerichtet wird, die gebildet wird, wenn vorbeschichtete Metallblechplatten laserschweißverbunden werden.
-
3B ist eine Seitenansicht, die den Rand einer der vorbeschichteten Metallblechplatten der 3A während des einschrittigen Verfahrens zeigt.
-
4A ist eine Seitenansicht, die die Bildung einer Überlappschweißnaht unter Verwendung des einschrittigen Verfahrens zeigt.
-
4B ist eine Schnittdarstellung entlang der Überlappschweißnaht der 4A.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die folgende Beschreibung soll einem Fachmann die Anfertigung und die Benutzung der Erfindung ermöglichen und erfolgt im Kontext einer bestimmten Anwendung und deren Anforderungen. Verschiedene Modifikationen in den offenbarten Ausführungsformen werden für die Fachleute leicht erkennbar sein, und die hier allgemein definierten Prinzipien können auf andere Ausführungsformen angewendet werden, ohne dabei den Umfang der Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung soll sich daher nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränken, sondern es ist ihr der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen übereinstimmende weiteste Umfang zuzugestehen.
-
Die 1A und 1B beschreiben einen ersten Schritt eines zweischrittigen Laserschweißverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die 2A und 2B beschreiben einen zweiten Schritt eines zweischrittigen Laserschweißverfahrens. 1A ist insbesondere eine vereinfachte perspektivische Darstellung, die den ersten Schritt zeigt, in dem ein Legierungsmaterial in Pulverform 100 entlang einer Naht 106 zwischen den benachbarten Rändern der Platten 102 und 104 auf die vorbeschichteten Stahlblechplatten 102 und 104 lasergehüllt wird. 1B beschreibt einen Rand einer Platte 102 entlang einer Naht 106 ebenfalls während des ersten Schritts. Als spezifisches und nicht einschränkendes Beispiel umfasst das Legierungsmaterial in Pulverform 100 Nickel und/oder Chrom und wird durch eine Pulverzuführleitung bereitgestellt, wie beispielsweise eine seitliche Leitung 10, die in Verbindung mit einer nicht dargestellten Quelle des Legierungsmaterials steht. Optional umfasst eine seitliche Leitung 108 eine nicht dargestellte Düse an deren Austrittsende, um die Zufuhr des gepulverten Legierungsmaterials zu beherrschen. Platte 102 umfasst ein Substrat 112, das eine erste Vorbeschichtung 114 auf einer seiner Seiten aufweist, und eine zweite Vorbeschichtung 116 auf einer gegenüber der ersten Seite liegenden zweiten Seite. Ähnlich umfasst Platte 104 ein Substrat 118, das eine erste Vorbeschichtung 120 auf einer seiner Seiten aufweist, und eine zweite Vorbeschichtung 122 auf einer gegenüber der ersten Seite liegenden zweiten Seite. In dem Beispiel, das in 1A gezeigt ist, ist das Substrat 118 relativ dicker als das Substrat 112, optional haben die Substrate jedoch die gleiche Dicke. Im Wege eines spezifischen und nicht einschränkenden Beispiels werden die Substrate 112 und 118 aus Borstählen hergestellt und können verschieden sein, beispielsweise aufgrund verschiedener mechanischer Eigenschaften und/oder verschiedener Legierungszusammensetzungen. Die Vorbeschichtungen 114, 116, 120 und 122 werden in bekannter Weise gebildet, wie beispielsweise durch Tauchlackierung der Substrate 112 und 118 in einem Bad geschmolzenen Aluminiums oder geschmolzener Aluminiumlegierung. In 1A sind die Platten 102 und 104 in einer Anordnung gezeigt, derart dass die Ränder der Platten, die miteinander verschweißt werden sollen, gegeneinanderstoßend angeordnet sind, um die Naht 106 zu definieren. Optional werden die Platten 102 und 104 relativ zueinander angeordnet, um einen anderen Typ von Schweißverbindung zu bilden, wie beispielsweise eine Überlappschweißverbindung.
-
Es versteht sich, dass die Vorbeschichtungen 114, 116, 120 und 122 in den 1A und 1B (wie auch in den 2A und 2B und den 3A und 3B) der Einfachheit halber als einzelne Schichten beschriebenen werden. Jedoch umfassen die Vorbeschichtungen in der Praxis eine intermetallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit dem Stahlsubstrat 102 oder 104 steht und eine metallische Legierungsschicht, die in Kontakt mit der intermetallischen Legierungsschicht steht. Typischerweise hat das Material der Vorbeschichtungen 114, 116, 120 und 122 eine Schmelztemperatur, die viel geringer ist als die Schmelztemperatur des darunterliegenden Stahlsubstrats 102 oder 104. Zum Beispiel hat eine Aluminium-Silikon-Legierungsbeschichtung eine Schmelztemperatur von weniger als 600°C, verglichen mit ungefähr 1500°C für das Stahlsubstrat.
-
Unter Bezugnahme auf beide 1A und 1B empfängt während des ersten Schritts eine Laseroptikanordnung 124 Laserlicht von einer Dauerstrichlaserquelle durch eine Faser, was insgesamt als Laserquelle 126 bezeichnet wird, und sendet einen nicht fokussierten Laserstrahl 128 relativ geringer Leistung in Richtung benachbarter Oberflächenbereiche der Platten 102 und 104 auf beiden Seiten der Naht 106 aus. Beispielsweise umfasst die Laseroptikanordnung 124 mindestens eine Linse, und die Faser der Laserquelle 126 ist entweder eine einzelne Kernfaser oder ein mehrere Kernfasern umfassendes Bündel. Der nicht fokussierte Laserstrahl 128 geringer Leistung schmilzt das gepulverte Legierungsmaterial 100, wie es durch die Leitung 108 zugeführt wird, und das geschmolzene Legierungsmaterial festigt sich und erstarrt danach, wodurch eine Hüllschicht aus dem Legierungsmaterial 110 auf den Vorbeschichtungen 114 und 120 gebildet wird. Der nicht fokussierte Laserstrahl 128 geringer Leistung wird relativ zu den Substraten 102 und 104 in die Richtung, die durch den schwarzen Blockpfeil 150 in den 1A und 1B angegeben ist, gescannt, derart dass die Hüllschicht 110 sich entlang der Länge der Naht 106 erstreckt.
-
Unter Bezugnahme auf 2A ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung des zweiten Schritts des Laserschweißverfahrens gezeigt, in dem das Legierungsmaterial aus der Hüllschicht 110 während der Bildung einer Laserschweißnaht 132 zwischen den Platten 102 und 104 in die Schmelze 136 zugemischt wird. 2B beschreibt einen Rand einer Platte 102, der ebenfalls während der Bildung der Laserschweißnaht 132 entlang der Naht 106 angeordnet ist. Wie in den 2A und 2B gezeigt wird ein fokussierter Laserstrahl 134 hoher Leistung relativ zu den Platten 102 und 104 in die Richtung, die durch den schwarzen Blockpfeil 150 angegeben ist, gescannt. Der fokussierte Laserstrahl 134 hoher Leistung hat ausreichend Leistung und Intensität, um das Material der Substrate 112 und 118 zu schmelzen, wodurch eine Schmelze 136 gebildet wird. Während des Laserschweißens wird die Hüllschicht aus dem Legierungsmaterial 110 und dem Material der Vorbeschichtungen 114 und 120, die zu der Naht 106 benachbart sind, ebenfalls geschmolzen und in der Schmelze 136 vermischt. Das Legierungsmaterial aus der Hüllschicht 110 ist, zum Beispiel, ein nickelreiches Material und ist in der Lage eine Verbindung mit dem Aluminium, das aus den Vorbeschichtungen 114 und 120 in die Schmelze 136 eintritt, zu bilden. Zum Beispiel wird mindestens eine von Ni3Al und NiAl in die Schmelze 136 gebildet und verbleibt stabil in der Schmelze. Vorteilhafterweise ist das Nickel in dem Legierungsmaterial ein Martensitförderer, und somit kompensiert das Vorhandensein von Nickel in der Schmelze 136 mindestens teilweise die nachteiligen Effekte des Aluminiums, das aus den Vorbeschichtungen 114 und 120 während des Laserschweißens zugeführt wird. Optional umfasst das Legierungsmaterial ebenfalls Chrom, welches in Kombination mit Nickel die Eigenschaften der Laserschweißnaht verbessern kann und zu einer größeren Härtbarkeit, höherer Stoßfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit wie auch zu einer höheren Kerbzähigkeit führt. Vorteilhafterweise kann ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit als Ergebnis der stabilen Verbindungen, die in der Schmelze 136 gebildet werden, verbessert werden.
-
Das zweischrittige Laserschweißverfahren, das voranstehend beschrieben ist, kann auf einer einzigen Arbeitsstation ausgeführt werden, und dieselben Laseroptiken 124 und Laserquelle 126 können gesteuert werden, um den nicht fokussierten Laserstrahl 128 geringer Leistung während des ersten Schritts als auch den fokussierte Laserstrahl 134 hoher Leistung während des zweiten Schritts zu scannen. Vorteilhafterweise können beide Schritte auf derselben Arbeitsstation durchgeführt werden, woraus verringerte Arbeitskosten und bessere Ausnutzung der Bodenfläche resultieren. Weiter vorteilhaft ist, dass keine Notwendigkeit besteht für teilweises oder komplettes Entfernen des Materials aus den zu der Schweißnaht 106 benachbarten Vorbeschichtungen vor dem Laserschweißverbinden der Platten 102 und 104. Die Schweißnähte, die unter Verwendung des zweischrittigen Verfahrens produziert werden, weisen eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf, und es ist möglich, die mechanischen Eigenschaften der Laserschweißnähte zu ändern oder maßzuschneidern, um den Materialien, die gefügt werden, besser zu entsprechen. Natürlich erfordert die Nutzung gepulverter Legierungsmaterialien adäquate Sicherheitsausrüstung und zusätzliche Reinigung aufgrund ungenutzten Pulvers, das sich auf den Werkstücken und in der unmittelbaren Arbeitsumgebung ablagern kann.
-
Unter Bezugnahme auf die 3A und 3B ist ein einschrittiges Laserschweißverfahren entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Insbesondere ist 3A eine vereinfachte perspektivische Ansicht und zeigt das einschrittige Laserschweißverfahrens, in dem ein Legierungsmaterial in Pulverform 100 geschmolzen wird und direkt in eine Schmelze 136 zugeführt wird, die gebildet wird, wenn die vorbeschichteten Stahlblechplatten 102 und 104 entlang der Naht 106 laserschweißverbunden werden. 3B beschreibt den Rand der Platte 102, der ebenfalls während des einschrittigen Laserschweißverfahrens entlang der Naht 106 angeordnet ist. Während des einschrittigen Laserschweißverfahrens schmilzt ein fokussierter Laserstrahl 134 hoher Leistung das Material aus dem Substrat 112 und 118, wodurch die Schmelze 136 gebildet wird. Zusätzlich schmilzt der fokussierte Laserstrahl 134 hoher Leistung die zu der Naht 106 benachbarten Vorbeschichtungen 114 und 120, was dazu führt, dass Aluminium aus den Vorbeschichtungen 114 und 120 in die Schmelze 136 eintritt. Der fokussierte Laserstrahl 134 hoher Leistung schmilzt ebenfalls das gepulverte Legierungsmaterial 100, das durch eine Pulverzuführleitung bereitgestellt wird, wie zum Beispiel eine seitliche Leitung 108, und das in der Schmelze 136 vermischt wird. Optional umfasst eine seitliche Leitung 108 eine nicht dargestellte Düse an deren Austrittende, um die Zufuhr des gepulverten Legierungsmaterials zu beherrschen. Das Legierungsmaterial ist beispielsweise ein nickelreiches Material, das in der Lage ist, eine Verbindung mit dem Aluminium, das aus den Vorbeschichtungen 114 und 120 in die Schmelze 136 eintritt, zu bilden. Zum Beispiel wird Ni3Al und/oder NiAl in der Schmelze gebildet, welches stabil in dem Schweißbad verbleibt und das in dem Schweißmetall nach vollständiger Abkühlung vorliegt. Vorteilhafterweise ist das Nickel in dem Legierungsmaterial ein Martensitförderer, und somit kompensiert das Vorhandensein von Nickel in der Schmelze 136 mindestens teilweise die nachteiligen Effekte des Aluminiums, das aus den Vorbeschichtungen 114 und 120 zugeführt wird. Optional umfasst das Legierungsmaterial ebenfalls Chrom, welches in Kombination mit Nickel die Eigenschaften der Laserschweißnaht verbessern kann und zu einer größeren Härtbarkeit, höherer Stoßfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit wie auch zu einer höheren Kerbzähigkeit führt. Vorteilhafterweise kann ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit als Ergebnis stabiler Verbindungen, die in der Schmelze 136 entstehen, verbessert werden.
-
Das einschrittige Laserschweißverfahren, das voranstehend beschrieben ist, kann auf einer einzigen Arbeitsstation ausgeführt werden, und vorteilhafterweise besteht vor dem Laserschweißverbinden der Platten 102 und 104 keine Notwendigkeit für teilweises oder komplettes Entfernen des Materials aus den zu der Schweißnaht 106 benachbarten Vorbeschichtungen. Die Schweißnähte, die unter Verwendung des einschrittigen Verfahrens produziert werden, weisen eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf und es ist möglich die mechanischen Eigenschaften der Laserschweißnähte zu ändern oder maßzuschneidern, um den Materialien, die gefügt werden, besser zu entsprechen. Natürlich erfordert die Nutzung gepulverter Legierungsmaterialien adäquate Sicherheitsausrüstung und zusätzliche Reinigung aufgrund ungenutzten Pulvers, das sich auf den Werkstücken und in der unmittelbaren Arbeitsumgebung ablagern kann.
-
Die unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschriebenen Schweißverbindungen sind Stumpfschweißnähte, in denen ein Rand von einer Platte 102 gegen den Rand der anderen Platte 104 stumpfstoßend angeordnet sind, und beide Platten liegen in derselben Ebene. Natürlich können das zweischrittige Verfahren und das einschrittige Verfahren, wie sie voranstehend beschrieben sind, ebenfalls genutzt werden, um andere Typen von Schweißnähten zu bilden, wie beispielsweise eine Überlappschweißnaht. 4A ist eine Seitenansicht, die die Bildung einer Überlappschweißverbindung unter Nutzung des einschrittigen Verfahrens zeigt, und 4B ist eine seitliche Schnittdarstellung entlang der Überlappschweißnaht der 4A. In den 4A und 4B sind die Platten 102 und 104 in verschiedenen Ebenen angeordnet, eine über der anderen, derart dass ein Überlappbereich 400 entlang der Ränder 102 und 104 existiert. Ein fokussierter Laserstrahl 134 hoher Leistung wird in eine Richtung gescannt, die, wie durch den Pfeil 150 in 4A angegeben, außerhalb der Ebene der Seite liegt, wodurch das Material des Substrats 118 und der Vorbeschichtungen 120 und 122 der Platte 104, wie auch das Material der Vorbeschichtung 114 und mindestens ein Teil des Substrats 112 der Platte 102 geschmolzen wird, wodurch eine Schmelze 136 gebildet wird. Gleichzeitig wird das Legierungsmaterial in Pulverform 100 durch eine Pulverzuführleitung, wie beispielsweise eine seitliche Leitung 108, direkt in die Schmelze 136 zugeführt. Optional umfasst eine seitliche Leitung 108 eine nicht dargestellte Düse an ihrem Austrittende, um die Zufuhr des gepulverten Legierungsmaterials zu beherrschen. Wie in 4B gezeigt, wird die Schweißnaht 132 gebildet, während der fokussierte Laserstrahl 134 hoher Leistung in die Richtung gescannt wird, die durch den Pfeil 150 angegeben ist, und sich das Metall aus der Schmelze 136 abkühlt, nachdem sich der fokussierte Laserstrahl 134 hoher Energiedichte weiter voran bewegt.
-
Unter weiterer Bezugnahme auf die 4A und 4B ist das Legierungsmaterial beispielsweise ein nickelreiches Material, das in der Lage ist, eine Verbindung mit dem Aluminium, das aus den Vorbeschichtungen 120, 122 und 114 in die Schmelze 136 eintritt, zu bilden. Zum Beispiel wird Ni3Al und/oder NiAl in der Schmelze gebildet, welches stabil in dem Schweißbad verbleibt und das in dem Schweißmetall nach vollständiger Abkühlung vorliegt. Vorteilhafterweise ist das Nickel in dem Legierungsmaterial ein Martensitförderer, und somit kompensiert das Vorhandensein von Nickel in der Schmelze 136 mindestens teilweise die nachteiligen Effekte des Aluminiums, das aus den Vorbeschichtungen zugeführt wird. Optional umfasst das Legierungsmaterial ebenfalls Chrom, welches in Kombination mit Nickel die Eigenschaften der Laserschweißnaht verbessern kann und zu einer größeren Härtbarkeit, höherer Stoßfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit wie auch zu einer höheren Kerbzähigkeit führt. Vorteilhafterweise kann ebenfalls eine Korrosionsbeständigkeit als Ergebnis stabiler Verbindungen, die sich in der Schmelze 136 bilden, verbessert werden.
-
Natürlich kann das zweischrittige Verfahren ähnlichen Modifikationen unterzogen werden und genutzt werden, um Überlappverbindungen zwischen vorbeschichteten Metallblechplatten zu bilden. Zum Beispiel kann eine Hüllschicht aus dem Legierungsmaterial entlang der zukünftigen Schweißnaht auf einer der Platten, wie beispielsweise Platte 104 wie in den 4A und 4B gezeigt, gebildet werden. Nach dem Bilden der Hüllschicht aus dem Legierungsmaterial wird ein fokussierter Laserstrahl hoher Leistung entlang der Hüllschicht gescannt, wodurch das Legierungsmaterial in der Schmelze geschmolzen und vermischt wird. Das Nickel und/oder das Chrom, das in der Hüllschicht aus dem Legierungsmaterial vorliegt, bilden Verbindungen mit Aluminium, das aus den Vorbeschichtungen der Metallblechplatten in die Schmelze eingetreten ist, wie unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 voranstehend diskutiert wurde.
-
Während die voranstehende Beschreibung eine Mehrzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt, ist es ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung zugänglich für weitere Modifikationen und Änderungen ist, ohne dabei den angemessenen Sinngehalt der beigefügten Patentansprüche zu verlassen.
