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TECHNISCHES GEBIET
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Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und insbesondere das Laserschweißen aus der Ferne von sich überlappenden Werkstücken aus Stahl.
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HINTERGRUND
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Laserschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei welchem ein Laserstrahl auf einen Werkstückstapel aus Metall gelenkt wird, um eine konzentrierte Hitzequelle bereitzustellen, die zum Bewirken einer Schweißfügestelle zwischen den Metallwerkstückkomponenten in der Lage ist. Im Allgemeinen werden zunächst zwei oder mehr Werkstücke aus Metall relativ zueinander ausgerichtet und gestapelt, so dass sich deren Stoßoberflächen überlappen und sich an einem beabsichtigten Schweißort gegenüberliegen. Dann wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt. Die Hitze, die aus der Absorption von Energie aus dem Laserstrahl erzeugt wird, leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall ein und bildet ein Schmelzbad innerhalb des Werkstückstapels aus. Das Schmelzbad durchdringt das Werkstück aus Metall, auf welches der Laserstrahl auftrifft, und es dringt in das oder die darunterliegenden Werkstücke aus Metall ein. Wenn der Laserstrahl eine ausreichend hohe Leistungsdichte aufweist, wird in dem Schmelzbad direkt unter dem Laserstrahl ein Schlüsselloch erzeugt (ein Prozess, der als "Schlüssellochschweißen" bekannt ist). Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, das von den Werkstücken aus Metall innerhalb des Werkstückstapels stammt, die Plasma enthalten kann.
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Das Schlüsselloch stellt eine Leitung zur Absorption von Energie tiefer in den Werkstückstapel hinein bereit, welche wiederum ein tieferes Eindringen des Schmelzbads und ein schmaleres Profil des Schmelzbads ermöglicht. Daher wird das Schlüsselloch normalerweise so gesteuert, dass es in den Werkstückstapel durch jede Stoßschnittstelle hindurch eindringt, aber nur teilweise durch das unterste Werkstück aus Metall hindurch. Das Schlüsselloch wird typischerweise in einer sehr kurzen Zeitspanne erzeugt – typischerweise Millisekunden – sobald der Laserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels auftrifft. Nachdem das Schlüsselloch gebildet und stabil ist, wird der Laserstrahl über eine kurze Distanz entlang eines Schweißpfads bewegt. Diese Bewegung des Laserstrahls hinterlässt geschmolzenes Werkstückmaterial im Kielwasser des entsprechenden Bewegungspfads des Schlüssellochs und des Schmelzbads. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmaterial kühlt ab und erstarrt in die gleiche Richtung wie die Vorwärtsbewegung des Laserstrahls, um eine Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial bereitzustellen, welche die Werkstücke durch eine Schmelzschweißnaht miteinander verbindet.
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Die Kraftfahrzeugindustrie nutzt häufig Laserschweißen aus der Ferne, um Unterbaugruppen aus Metall zu Endteilen zusammenzufügen, die an einem Fahrzeug installiert werden können. Bei einem Beispiel kann der Körper einer Fahrzeugtür aus einem Türinnenblech und einem Türaußenblech gefertigt werden, die durch eine Vielzahl von Laserschweißfügestellen zusammengefügt werden. Das Türinnenblech und das Türaußenblech werden zunächst relativ zueinander gestapelt und typischerweise durch Klammern ortsfest befestigt. Ein beweglicher optischer Laserkopf lenkt dann zeitweise einen Laserstrahl an mehrere Schweißorte im Bereich der gestapelten Bleche in Übereinstimmung mit einer programmierten Abfolge, um die Vielzahl von Laserschweißfügestellen auszubilden. An jedem Schweißort, an dem eine Laserschweißfügestelle ausgebildet werden soll, wird der Laserstrahl auf die gestapelten Bleche gelenkt und entlang eines vordefinierten Schweißpfads befördert, der ausgestaltet sein kann, um eine diskrete Punktschweißfügestelle oder eine kontinuierliche Schweißnaht zu erzeugen. Der Prozess des Laserschweißens von Türinnenblechen und Türaußenblechen (sowie von anderen Fahrzeugteilkomponenten, wie etwa denjenigen, die zum Herstellen von Motorhauben, Heckklappen usw. genutzt werden) ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann.
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Das Verwenden des Laserschweißens aus der Ferne zum Zusammenfügen von beschichteten Werkstücken aus Metall kann Probleme bereiten. Zum Beispiel enthalten zinkbeschichtete Werkstücke aus Stahl eine dünne Außenbeschichtung aus Zink zum Schutz vor Korrosion. Zink weist einen Siedepunkt von etwa 906°C auf, während der Schmelzpunkt des Stahlbasissubstrats, das damit beschichtet ist, typischerweise höher als 1300°C ist. Wenn folglich zinkbeschichtete Werkstücke aus Stahl miteinander lasergeschweißt werden, wird leicht Zinkdampf mit hohem Druck an den Oberflächen der Werkstücke aus Stahl erzeugt. Der an den Stoßoberflächen der gestapelten Werkstücke aus Stahl erzeugte Zinkdampf wird zur Diffusion in das Schmelzbad hinein und durch dieses hindurch gezwungen, das durch den Laserstrahl erzeugt wird, sofern nicht ein alternativer Fluchtweg durch den Werkstückstapel hindurch bereitgestellt wird. Wenn kein adäquater Fluchtweg bereitgestellt wird, kann es sein, dass Zinkdämpfe im Schmelzbad eingeschlossen bleiben, wenn dieses abkühlt und erstarrt, was zu Defekten bei der resultierenden Schweißfügestelle führen kann – wie etwa Schweißspritzer und Porositäten – welche die mechanischen Eigenschaften der Fügestelle in einem derartigen Ausmaß verschlechtern, dass die Fügestelle als nicht akzeptabel angesehen werden kann. Die Verdampfung von Zinkbeschichtungen auf Oberflächen von Werkstücken aus Stahl während des Laserschweißens weist die Tendenz auf, am störendsten zu sein, wenn die Stoßoberflächen der Werkstücke aus Stahl mit einer Schnittstelle ohne Spalt dazwischen genau zueinander passen.
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Um zu vermeiden, dass Zinkdampf in das Schmelzbad hinein diffundiert und letztendlich bewirkt, dass Schweißdefekte in dem wiedererstarrten Werkstückmaterial einer Schweißfügestelle vorhanden sind, die zwischen Werkstücken aus Stahl ausgebildet wird (von denen mindestens eines mit Zink beschichtet ist), werden die Werkstücke oft mit einem Laserstrahl aufgeraut, bevor das Laserschweißen stattfindet, um voneinander beabstandete hervorstehende Merkmale auf einer oder mehreren der Stoßoberflächen der Werkstücke aus Stahl zu erzeugen. Die hervorstehenden Merkmale erzwingen einen Spalt von etwa 0,1–0,2 Millimetern zwischen den Stoßoberflächen der Werkstücke aus Stahl, der einen Fluchtweg bereitstellt, um Zinkdämpfe während des Laserschweißprozesses vom Schweißort wegzuleiten. Aber die Ausbildung dieser hervorstehenden Merkmale fügt einen zusätzlichen Schritt zu dem Gesamtprozess des Laserschweißens aus der Ferne hinzu und tendiert zum Erzeugen von Schweißfügestellen mit Einbrandkerben [engl.: undercut weld], die zwar akzeptabel sind, jedoch nicht so wünschenswert sind wie Schweißfügestellen, die zwischen Werkstücken aus Stahl ausgebildet sind, welche keinen absichtlich erzwungenen Spalt aufweisen, der zwischen deren Stoßoberflächen ausgebildet ist, um das Entweichen von Dämpfen zu ermöglichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Es wird ein Verfahren zum Laserschweißen aus der Ferne eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält, offenbart, bei welchem mindestens eines der Werkstücke mit einer Schicht aus Zink beschichtet ist, die einen Siedepunkt bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von jedem der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel aufweist, und daher verdampft. Vor dem Schweißen werden die Werkstücke aus Stahl in einander überlappender Weise derart zusammengesetzt, dass zwischen deren Stoßoberflächen eine Schnittstelle ohne Spalt ausgebildet wird. Beispielsweise kann der Werkstückstapel in einer Ausführungsform erste und zweite Werkstücke aus Stahl enthalten, die jeweils erste und zweite Stoßoberflächen aufweisen, die einander gegenüberliegen und aneinander angrenzen, um eine einzige Stoßschnittstelle ohne Spalt zwischen ihren kontaktierenden Stoßoberflächen bereitzustellen. In einer anderen Ausführungsform kann der Werkstückstapel ein zusätzliches drittes Werkstück aus Stahl enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Stahl angeordnet ist. In diesem Fall weisen das erste und zweite Werkstück aus Stahl jeweils erste und zweite Stoßoberflächen auf, die einander entgegengesetzten Stoßoberflächen des dritten Werkstücks aus Stahl gegenüberliegen und an diese angrenzen, so dass zwei Stoßschnittstellen ohne Spalt zwischen den einander kontaktierenden Stoßoberflächen des ersten, zweiten und dritten Werkstücks aus Stahl ausgebildet werden. Wenn ein drittes Werkstück aus Stahl vorhanden ist, können das erste und zweite Werkstück aus Stahl aus separaten und getrennten Teilen bestehen oder alternativ können sie verschiedene Abschnitte des gleichen Teils repräsentieren, etwa wenn ein Rand eines Teils umgefaltet ist und einen freien Rand eines anderen Teils umschließt.
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Die Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel werden unter Verwendung eines Laserschweißprozesses aus der Ferne zusammengefügt, bei welchem ein Laserstrahl an einem Schweißort auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird. Der Laserstrahl weist eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um ein Schlüsselloch in dem Werkstückstapel auszubilden, das von einem Schmelzbad aus Stahlschmelze umgeben ist. Das Schlüsselloch erstreckt sich von der oberen Oberfläche des Werkstückstapels aus zu einer unteren Oberfläche desselben hin. Das Schmelzbad aus Stahlschmelze umgibt das Schlüsselloch, aber es kollabiert aufgrund des Dampfdrucks des Schlüssellochs, der auf das umgebende Schmelzbad einwirkt und dagegen drückt, nicht in das Schlüsselloch hinein. Nachdem das Schlüsselloch ausgebildet ist, wird der Laserstrahl entlang der oberen Oberfläche des Werkstückstapels in Übereinstimmung mit einem vordefinierten Schweißmuster bewegt. Während der Laserstrahl dem vordefinierten Schweißmuster folgt, hinterlässt er geschmolzenes Werkstückmaterial im Kielwasser des entsprechenden Bewegungspfads des sich voran bewegenden Laserstrahls und Schlüssellochs. Dieses geschmolzene Werkstückmaterial kühlt schnell ab und erstarrt zu einer Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial, welche innerhalb des Werkstückstapels von einer durch Hitze beeinflussten Zone umgeben ist, welche die Werkstücke aus Stahl durch eine Schmelzschweißnaht miteinander verbindet. Wenn der Laserstrahl das Verfolgen des vordefinierten Schweißmusters beendet hat, ist eine vollständige Laserschmelzschweißnahtfügestelle am Schweißort des Werkstückstapels erzeugt worden. Danach wird der Laserstrahl von der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entfernt.
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Das Schweißmuster, dem der Laserstrahl folgt, enthält einen oder mehrere nichtlineare innere Schweißpfade, die von einem Schweißpfad am Außenumfang umschlossen sind. Der eine oder die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade sind voneinander so beabstandet und konturiert, dass die durch Hitze beeinflusste Zone, welche die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial umgibt, die entlang jedes des einen oder mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade ausgebildet ist, sich mit der durch Hitze beeinflussten Zone der Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial, die entlang mindestens eines anderen inneren Schweißpfades oder zumindest eines benachbarten Abschnitts des gleichen inneren Schweißpfades ausgebildet ist, überlappt. Zum Beispiel kann der eine oder können die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade eine Vielzahl von in radialer Richtung voneinander beabstandeter und nicht miteinander verbundener kreisförmiger Schweißpfade umfassen (etwa eine Folge von konzentrischen kreisförmigen Schweißpfaden). In diesem Fall weist jeder der resultierenden Kreise aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial, nachdem der Laserstrahl der Vielzahl von kreisförmigen Schweißpfaden gefolgt ist, eine durch Hitze beeinflusste Zone auf, die sich mit einer durch Hitze beeinflussten Zone von mindestens einem anderen Kreis aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial überlappt. Als weiteres Beispiel kann der eine oder können die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade einen spiralförmigen Schweißpfad umfassen, der einen feststehenden Punkt im Inneren umkreist und sich von dort aus radial nach außen aufweitet. In diesem Fall weist jede der resultierenden Umkreisungen des wiedererstarrten Werkstückmaterials innerhalb der Spiralform, nachdem der Laserstrahl dem spiralförmigen Schweißpfad gefolgt ist, eine durch Hitze beeinflusste Zone auf, die sich mit mindestens einer durch Hitze beeinflussten Zone einer benachbarten Umkreisung des wiedererstarrten Werkstückmaterials überlappt. Der eine oder die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade können selbstverständlich eine Vielfalt anderer räumlicher Anordnungen zusätzlich zu Kreisen und Spiralen annehmen.
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Der umschließende Schweißpfad am Außenumfang umgibt den einen oder die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade und definiert allgemein einen Außenumfang des Schweißmusters. Neben anderen Optionen kann der umschließende Schweißpfad am Außenumfang ein Kreis, ein Oval, ein Epizykloid, ein Epitrochoid oder ein Hypozykloid sein, und er weist vorzugsweise einen Durchmesser in einem Bereich von 4 mm bis 15 mm auf, der zwischen den zwei Punkten auf dem Schweißpfad am Außenumfang gemessen wird, die voneinander durch die größte Distanz getrennt sind, welche den Mittelpunkt des Schweißpfads am Außenumfang schneidet. Zwar ist der umschließende Schweißpfad am Außenumfang vorzugsweise vollständig geschlossen, jedoch muss dies nicht unbedingt sein. Zum Beispiel kann der Schweißpfad am Außenumfang Unterbrechungen zwischendurch enthalten oder er kann kurz vor einem vollständigen Umschließen stoppen. Des Weiteren kann der umschließende Schweißpfad am Außenumfang mit dem einen oder den mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfaden verbunden sein oder er kann ein separater Schweißpfad sein, der von dem einen oder den mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfaden beabstandet und getrennt ist. Beispielsweise kann ein spiralförmiger innerer Schweißpfad nahtlos in den Schweißpfad am Außenumfang übergehen, während neben weiteren Möglichkeiten als weiteres Beispiel eine Vielzahl von in radialer Richtung voneinander beabstandeten inneren kreisförmigen Schweißpfaden unverbunden sein kann und daher von dem Schweißpfad am Außenumfang getrennt sein kann.
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Das Eindringen des Schlüssellochs wird gesteuert, während der Laserstrahl entlang des Schweißmusters befördert wird. Während der Laserstrahl dem einen oder den mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfaden folgt, durchdringt das Schlüsselloch den Werkstückstapel vollständig; das heißt, dass sich das Schlüsselloch von der oberen Oberfläche des Werkstückstapels aus durch die untere Oberfläche des Stapels hindurch erstreckt und jedes sich überlappende Werkstück aus Stahl in dem Stapel durchdringt. Während der Laserstrahl hingegen dem umschließenden Schweißpfad am Außenumfang folgt, durchdringt das Schlüsselloch den Werkstückstapel nicht vollständig; stattdessen dringt das Schlüsselloch teilweise in den Werkstückstapel ein, so dass es sich von der oberen Oberfläche aus in den Stapel hinein erstreckt, aber die untere Oberfläche nicht erreicht. Das teilweise eindringende Schlüsselloch kann ausreichend tief in den Stapel eindringen, dass das Schlüsselloch zumindest die Stoßschnittstellen zwischen den sich überlappenden Werkstücken aus Stahl durchquert, um das Liefern einer Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial fortzusetzen, welche die Werkstücke miteinander durch eine Schmelzschweißnaht verbindet, obwohl diese Tiefe des Eindringens des Schlüssellochs nicht in allen Fällen zwingend ist. Das Leistungsniveau, die Geschwindigkeit und/oder die Brennpunktposition des Laserstrahls können während des Laserschweißprozesses gesteuert werden, so dass das Schlüsselloch im Zuge des Beförderns des Laserstrahls entlang des Schweißmusters in den Werkstückstapel mit der gewünschten Tiefe eindringt.
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Man vermutet, dass die Bewegung des vollständig durchdringenden Schlüssellochs während der Beförderung des Laserstrahls entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade Zinkdämpfe effizient und effektiv durch das Schlüsselloch hindurch und von den Stoßschnittstellen ohne Spalt innerhalb des Werkstückstapels weg entlüftet. Tatsächlich wird vermutet, dass die sich überlappenden durch Hitze beeinflussten Zonen, die auf den Abstand und die Kontur des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade zurückzuführen sind, für das Unterstützen des Entweichens von Zinkdämpfen durch das Schlüsselloch verantwortlich sind. Letztendlich minimiert das Extrahieren und Entfernen von Zinkdämpfen weg von den Stoßschnittstellen das Diffundieren und Einschließen von Zinkdämpfen in die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial, welche im Kielwasser des Laserstrahls ausgebildet wird, während er sich entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade bewegt, oder beseitigt diese ganz. Darüber hinaus schafft die Bewegung des teilweise eindringenden Schlüssellochs während der Beförderung des Laserstrahls entlang des umschließenden Schweißpfads am Außenumfang einen glatteren Übergang an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zwischen der Laserschweißfügestelle und den benachbarten umgebenden Abschnitten des Stapels. Dies vermeidet die Bildung eines scharfen Grats auf der oberen Oberfläche an der Grenzlinie der Laserschweißfügestelle, der die Fügestelle schwächen kann, ein Durchbrennen fördern kann und das Erscheinungsbild der Schweißfügestelle nachteilig beeinflussen kann.
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Der Laserstrahl kann den inneren und äußeren Schweißpfaden des Schweißmusters in einer beliebigen gewünschten Sequenz folgen. Der eine oder die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade können zuerst verfolgt werden, gefolgt von dem umschließenden Schweißpfad am Außenumfang. Oder alternativ kann der umschließende Schweißpfad am Außenumfang zuerst verfolgt werden, gefolgt von dem einen oder den mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfaden. Zudem kann der eine oder können die mehreren nichtlinearen Schweißpfade selbst von dem Laserstrahl in einer Vielfalt von Weisen verfolgt werden. Wenn das Schweißmuster beispielsweise eine Vielzahl von in radialer Richtung voneinander beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen inneren Schweißpfaden enthält, die von einem kreisförmigen Schweißpfad am Außenumfang umgeben sind, kann der Laserstrahl starten, indem er dem innersten kreisförmigen inneren Schweißpfad folgt (einem der nichtlinearen inneren Schweißpfade) und dann mit dem Verfolgen sukzessiv größerer kreisförmiger Pfade (dem Rest der nichtlinearen inneren Schweißpfade) fortfährt, bis er dem äußersten kreisförmigen Schweißpfad (dem umschließenden Schweißpfad am Außenumfang) folgt. Alternativ kann der Laserstrahl von dem äußersten kreisförmigen Pfad aus zu dem innersten kreisförmigen Pfad voranschreiten, oder er kann voranschreiten, indem er den mehreren diskreten kreisförmigen Pfaden in einer anderen Sequenz folgt. Wenn das Schweißmuster analog einen spiralförmigen inneren Schweißpfad enthält, der mit einem kreisförmigen Schweißpfad am Außenumfang verbunden ist, kann der Laserstrahl am feststehenden Punkt im Inneren des spiralförmigen inneren Schweißpfads starten und von diesem Punkt weg und um diesen Punkt herum kreisen, bis er in den kreisförmigen Schweißpfad am Außenumfang übergeht, oder er kann mit dem kreisförmigen Schweißpfad am Außenumfang starten und um den feststehenden Punkt im Inneren der Spirale herum und auf diesen zu kreisen, bis das Verfolgen des spiralförmigen inneren Schweißpfads abgeschlossen ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne zum Erzeugen einer Laserschweißfügestelle innerhalb eines Werkstückstapels, der sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält;
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2 ist eine Querschnittsansicht eines Schlüssellochs, das in einem Werkstückstapel durch einen Laserstrahl ausgebildet wird;
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3 ist eine Draufsicht auf das Schlüsselloch und den Werkstückstapel, die in 2 veranschaulicht sind;
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3A ist eine Querschnittsansicht entlang der Linien 3A-3A in 3;
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4A bis 4N stellen eine Vielfalt beispielhafter Schweißmuster dar, die auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projiziert sind, denen ein Laserstrahl und damit ein Schlüsselloch und ein umgebendes Schmelzbad aus Stahlschmelze beim Ausbilden einer Laserschweißfügestelle zwischen sich überlappenden Werkstücken aus Stahl folgen kann;
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5 ist eine Querschnittsansicht eines vollständig durchdringenden Schlüssellochs und des Werkstückstapels, die in 2 veranschaulicht sind, entlang einer Linie 5-5;
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6 ist eine Querschnittsansicht eines teilweise eindringenden Schlüssellochs, das in einem Werkstückstapel durch einen defokussierten Laserstrahl ausgebildet ist, entlang des gleichen Blickpunkts wie 5; und
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7 ist eine graphische Veranschaulichung eines Laserleistungsniveaus (P), einer Bewegungsgeschwindigkeit (V) und einer Brennpunktposition (F) eines Laserstrahls, die alle über die Zeit in Sekunden (T) aufgetragen sind, während der Ausbildung einer Laserschweißfügestelle in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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In 1–3 ist ein Verfahren zum Laserschweißen aus der Ferne eines Werkstückstapels 10 gezeigt, der ein erstes Werkstück 12 aus Stahl und ein zweites Werkstück 14 aus Stahl enthält, unter Verwendung einer Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne. Das erste Werkstück 12 aus Stahl enthält eine Außenoberfläche 18 und eine dazu entgegengesetzte erste Stoßoberfläche 20, und das zweite Werkstück 14 aus Stahl enthält eine Außenoberfläche 22 und eine entgegengesetzte zweite Stoßoberfläche 24. Relativ zu der Position der Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne stellt die Außenoberfläche 18 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl eine obere Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 bereit, und die Außenoberfläche 22 des zweiten Werkstücks 14 aus Stahl stellt eine in entgegengesetzte Richtung weisende untere Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 bereit. Da sie die einzigen beiden Werkstücke aus Stahl sind, die in dem Stapel 10 dargestellt sind, überlappen sich umgekehrt die erste und zweite Stoßoberfläche 20, 22 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl und grenzen aneinander an, um eine Stoßschnittstelle 30 an einem Schweißort bereitzustellen. Das sich überlappende Angrenzen der Stoßoberflächen 20, 24 ist entlang der Stoßschnittstelle 30 am Schweißort im Allgemeinen komplementär, so dass eine Schnittstelle ohne Spalt (oder eine Nullspaltschnittstelle) bereitgestellt wird, bei welcher die Stoßoberflächen 20, 24 einander sehr nahe gegenüberliegen und nicht absichtlich durch irgendwelche Spalte oder Zwischenräume getrennt sind, die durch absichtlich ausgebildete hervorstehende Merkmale aufgezwungen werden. Der Begriff "Nullspaltschnittstelle" bzw. "Schnittstelle ohne Spalt" umfasst einen bündig anliegenden Kontakt zwischen den Stoßschnittstellen 20, 24, sowie Fälle, bei welchen die Stoßoberflächen 20, 24 durch Distanzen von nicht mehr als 80 µm getrennt sind, als Folge von akzeptablen Toleranzen bei der Größe und Gestalt der Werkstücke 12, 14 oder anderweitig.
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Die ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl enthalten jeweils erste und zweite Stahlsubstrate 32, 34. Die Stahlsubstrate 32, 34 können aus beliebigen einer großen Vielfalt von Stählen bestehen, die einen Stahl mit wenig Kohlenstoff (auch als Mildstahl bezeichnet), einen Stahl ohne Zwischenräume (IF-Stahl), einen Stahl mit niedriger Legierung und hoher Festigkeit (HSLA-Stahl) oder einen fortschrittlichen Hochfestigkeitsstahl (AHSS), etwa einen Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einen Stahl mit umwandlungsbewirkter Plastizität (TRIP-Stahl), einen Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl), einen Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einen Martensitstahl (MART-Stahl), einen warm geformten Stahl (HF-Stahl) und einen druckgehärteten Stahl (PHS-Stahl) umfassen. Mindestens eines der ersten oder zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl und vorzugsweise beide sind zinkbeschichtet. Ein zinkbeschichtetes Werkstück aus Stahl enthält eine Schicht aus Zink 36 auf mindestens einer seiner Hauptoberflächen. Wie in 1 gezeigt ist, ist tatsächlich jede Seite der ersten und zweiten Stahlsubstrate 32, 34 mit einer Schicht aus Zink 36 beschichtet, die wiederum für die Werkstücke 12, 14 deren Außenoberfläche 18, 22 und deren Stoßoberfläche 20, 24 bereitstellt. Die Zinkschichten 36 können beispielsweise durch Feuerverzinkung, Elektrogalvanisierung oder Galvannealing aufgebracht werden und sind typischerweise 2 µm bis 16 µm dick. Bei Berücksichtigung der Dicken von sowohl den Stahlsubstraten 32, 34 als auch den Zinkschichten 36 können das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl Dicken in dem Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm aufweisen, zumindest am Schweißort, und deren Dicken können gleich sein oder sich voneinander unterscheiden.
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1–3 veranschaulichen eine Ausführungsform des Verfahrens zum Laserschweißen aus der Ferne, bei welchem der Werkstückstapel 10 zwei sich überlappende Werkstücke 12, 14 aus Stahl enthält, die eine einzige Stoßschnittstelle 30 ohne Spalt aufweisen. Selbstverständlich kann, wie vorstehend erwähnt wurde, der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches drittes Werkstück aus Stahl (nicht gezeigt) enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl angeordnet ist, obwohl es in den Zeichnungen nicht explizit gezeigt ist. Das dritte Werkstück aus Stahl kann die gleichen Eigenschaften und Kennlinien (z.B. Zusammensetzung, Dicke, Beschichtungen usw.) wie das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl, wie vorstehend beschrieben aufweisen. Wenn das zusätzliche dritte Werkstück aus Stahl im Stapel 10 vorhanden ist, überlappen sich die erste und zweite Stoßoberfläche 20, 24 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl mit gegenüberliegenden Stoßoberflächen des dritten Werkstücks aus Stahl und grenzen an diese an, um zwei Stoßschnittstellen ohne Spalt herzustellen. Der Fachmann wird ohne eine unangemessene Schwierigkeit wissen und feststellen, dass das Verfahren zum Laserschweißen aus der Ferne, welches die folgende Offenbarung umfasst, die auf einen Werkstückstapel gerichtet ist, der zwei Werkstücke aus Stahl enthält, leicht angepasst und auf Werkstückstapel angewendet werden kann, die drei sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthalten.
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Wie in 1 gezeigt ist, enthält die Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 38. Der optische Laserabtastkopf 38 fokussiert und lenkt einen Laserstrahl 40 – typischerweise einen Nahinfrarotstrahl eines Festkörperfaserlasers – zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10, welche hier durch die Außenoberfläche 18 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl bereitgestellt wird. Der optische Laserabtastkopf 38 ist vorzugsweise an einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, der den Laserkopf 38 schnell und genau zu den verschiedenen vorgewählten Schweißorten an dem Werkstückstapel 10 befördern kann. Der Laserstrahl 40 kann bei einem Längsabstand 42 von etwa 0,4 Meter bis etwa 1,5 Meter über der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 (Außenoberfläche 18) gehalten werden und er kann einen Brennpunktdurchmesser im Bereich von 350 µm bis 700 µm aufweisen.
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Der optische Laserabtastkopf 38 enthält eine Anordnung von Spiegeln 44, welche den Laserstrahl 40 innerhalb einer dreidimensionalen Verarbeitungshüllkurve manövrieren. Die Anordnung von Spiegeln 44 enthält ein Paar kippbarer Abtastspiegel 46. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 46 ist an einem Galvanometer montiert. Die beiden kippbaren Spiegel 46 können den Laserstrahl 40 in der x-y-Ebene der Betriebshüllkurve durch Koordinierung ihrer Bewegungen bewegen. Zusätzlich zu den kippbaren Abtastspiegeln 46 enthält der Laserkopf 38 außerdem eine Sammellinse 48 auf der z-Achse, welche einen Brennpunkt des Laserstrahls 40 in die z-Richtung bewegen kann. Alle diese Komponenten 46, 48 können in einem Bereich von Millisekunden schnell eingestellt werden, um den Laserstrahl 40 präzise zu fokussieren und zu lenken, wie es am Werkstückstapel 10 gewollt ist, um eine Laserschweißfügestelle 50 auszubilden (in 1 von oben gezeigt), welche die ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl miteinander autogen durch eine Schmelzschweißnaht verbindet. Und zum Verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen das optische System und schließlich die Schweißfügestelle 50 nachteilig beeinflussen, kann eine Abdeckungsblende 52 unter dem optischen Laserabtastkopf 38 angeordnet sein. Die Abdeckungsblende 52 schützt die kippbaren Spiegel 46 und die Sammellinse 48 auf der z-Achse vor der Umgebung, ermöglicht jedoch, dass der Laserstrahl 40 aus dem Laserkopf 38 heraustreten kann. Viele Arten von kommerziell verfügbaren optischen Laserabtastköpfen können in Kombination mit der Vorrichtung 16 zum Laserschweißen aus der Ferne verwendet werden, welche beispielsweise einen RLSK (Kopf zur Laserverarbeitung aus der Ferne) von HIGHYAG (Zentrale in Kleinmachnow, Deutschland) umfassen.
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Die Schweißfügestelle 50 wird zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl ausgebildet, indem der Laserstrahl 40 entlang eines vordefinierten Schweißmusters relativ zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 befördert wird. Wie in 2 am besten gezeigt ist, wird der Laserstrahl 40, der einen Brennpunkt 54 enthält (dessen Position durch die z-Sammellinse 48 steuerbar ist) auf die obere Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 am Schweißort gelenkt. Die aus einer Absorption der fokussierten Energie des Laserstrahls 40 erzeugte Hitze veranlasst, dass das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl in der unmittelbaren Nachbarschaft des Laserstrahls 40 verdampfen, um ein Schlüsselloch 56 herzustellen. Absorbierte Hitze von dem Laserstrahl 40 bewirkt außerdem ein seitliches Schmelzen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl nach außen hin und um das Schlüsselloch 56 herum, um ein Schmelzbad 58 aus Stahlschmelze herzustellen, welches das Schlüsselloch 56 umgibt.
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Nach Ausbildung des Schlüssellochs 56 und des diesen umgebenden Schmelzbads 58 aus Stahlschmelze werden der Laserstrahl 40 und das Schlüsselloch 56 entlang des vordefinierten Schweißmusters am Schweißort befördert. Wenn der Laserstrahl 40 und das Schlüsselloch 56 dem vordefinierten Schweißmuster folgen, folgt das Schmelzbad 58 aus Stahlschmelze und hinterlässt geschmolzenes Werkstückmaterial im Kielwasser des sich voran bewegenden Laserstrahls 40 und des entsprechenden Schlüssellochs 56. Dieses geschmolzene Werkstückmaterial kühlt schnell ab und erstarrt zu einer Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60, welche das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl miteinander durch eine Schmelzschweißnaht verbindet. Pfeil 62 in 2 und 3 zeigt die augenblickliche Bewegungsrichtung des Laserstrahls 40 und des Schlüssellochs 56. Wie auch in 3–3A gezeigt ist, beeinflusst die durch den Laserstrahl 40 erzeugte Hitze zudem mehr als nur die Abschnitte des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl, die in dem Schlüsselloch 56 verdampft oder darum herum geschmolzen sind. Als Folge dessen, dass das geschmolzene Werkstückmaterial, das durch den Laserstrahl 40 erzeugt wird und dann erstarrt, wird die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 tatsächlich innerhalb des Werkstückstapels 10 von einer durch Hitze beeinflussten Zone 64 umgeben. Die durch Hitze beeinflusste Zone 64 ist ein Bereich im Werkstückstapel 10, der durch den Laserstrahl 40 nicht geschmolzen, aber dennoch erhitzt und abgekühlt wurde, während der Laserstrahl 40 vorbeigeführt wurde, um die Mikrostruktur des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl in diesem Bereich dauerhaft zu verändern.
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Die Konfiguration des vordefinierten Schweißmusters, dem der Laserstrahl 40 folgt, ermöglicht, dass die Schweißfügestelle 50 das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl zusammen mit einer Stoßschnittstelle 30 ohne Spalt zwischen ihren Stoßoberflächen 20, 24 am Schweißort erfolgreich miteinander vereinigt. Das Schweißmuster kann eine Vielfalt unterschiedlicher Konfigurationen annehmen aber es enthält im Allgemeinen, wie in 3 am besten gezeigt ist, einen oder mehrere nichtlineare innere Schweißpfade 66 und einen umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang, der den einen oder die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 umgibt. Während der Laserstrahl 40 dem bzw. den inneren Schweißpfaden 66 des Schweißmusters folgt, überlappt sich die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterials 60 umgibt, die entlang jeder des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 ausgebildet wurden, mit der durch Hitze beeinflussten Zone 64, die dem gleichen oder einem anderen inneren Schweißpfad 66 zugeordnet ist, um letztendlich eine Diffusion und ein Einschließen von Zinkdämpfen in dem Schmelzbad 58 aus Stahlschmelze zu minimieren, wie nachstehend weiter erörtert wird.
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Der eine oder die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 sind so beabstandet und konturiert, dass, nachdem der Laserstrahl 40 dem nichtlinearen inneren Schweißpfad 66 gefolgt ist, sich die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, die entlang jedes des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 ausgebildet ist, mit der durch Hitze beeinflussten Zone 64 der Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60, die entlang mindestens eines anderen inneren Schweißpfads 66 oder mindestens eines benachbarten Abschnitts des gleichen inneren Schweißpfads 66 ausgebildet ist, überlappt. Beispielsweise stellt 3 teilweise zwei benachbarte nichtlineare innere Schweißpfade 66 von zwei benachbarten Abschnitten des gleichen nichtlinearen inneren Schweißpfads 66 dar, welche von dem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang umgeben sind. Wie gezeigt, wurde der Laserstrahl 40, der sich nun entlang des oberen inneren Schweißpfads oder eines Abschnitts des oberen inneren Schweißpfads bewegt, bereits entlang des unteren inneren Schweißpfads oder eines Abschnitts des unteren inneren Schweißpfads befördert. Die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, die entlang des oberen inneren Schweißpfads oder eines Abschnitts des Schweißpfads gebildet ist, ist mit Bezugszeichen 641 bezeichnet, und die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, die bereits entlang des unteren inneren Schweißpfads oder eines Abschnitts des Schweißpfads ausgebildet worden ist, ist mit Bezugszeichen 642 bezeichnet. Die durch Hitze beeinflussten Zonen 641, 642, die den beiden inneren Schweißpfaden oder Abschnitten der inneren Schweißpfade zugeordnet sind, überlappen sich, wie in 3 und 3A gezeigt ist.
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Der umschließende Schweißpfad 68 am Außenumfang definiert allgemein einen Außenumfang des Schweißmusters und weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der im Bereich von 4 mm bis 15 mm liegt, der zwischen den zwei Punkten auf dem Schweißpfad 68 am Außenumfang gemessen wird, die voneinander durch die größte Distanz getrennt sind, welche den Mittelpunkt des Schweißpfads 68 am Außenumfang schneidet. Zwar ist der umschließende Schweißpfad 68 am Außenumfang vorzugsweise ein geschlossener Kreis oder ein geschlossenes Oval, jedoch muss er nicht unbedingt eine dieser geometrischen Gestalten sein, noch muss er in jedem Fall geschlossen sein. Darüber hinaus kann der umschließende Schweißpfad 68 am Außenumfang mit dem einen oder den mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfaden 66 (siehe 4A–4F) verbunden sein oder er kann von dem einen oder den mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfaden 66 beabstandet und getrennt sein (siehe 4G–4N).
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Wenn der Laserstrahl 40 dem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang folgt, kann sich die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche die resultierende Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, mit der bzw. den durch Hitze beeinflussten Zonen 64 überlappen, welche die Trasse(n) aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgeben, die entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 ausgebildet sind, aber es muss nicht so sein. Dies liegt daran, dass die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60, die entlang des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang ausgebildet ist, hauptsächlich zum Bereitstellen eines glatteren Übergangs zwischen der Schweißfügestelle 50 und dem umgebenden Bereich des Werkstückstapels 10 gedacht ist, wobei ein sekundäres Ziel darin besteht, das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl miteinander zu vereinigen. Aus diesem Grund kann die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60, die entlang des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang ausgebildet ist, die Stoßschnittstelle 30 durchqueren und sich in das zweite Werkstück 14 aus Stahl hineinerstrecken, muss dies aber nicht unbedingt.
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Das vordefinierte Schweißmuster kann eine große Vielfalt unterschiedlicher geometrischer Konfigurationen annehmen. Mit Bezug nun allgemein auf 4A bis 4N, welche Draufsichten auf das Schweißmuster sind, das auf die x-y-Ebene der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 projiziert ist, kann das vordefinierte Schweißmuster ein Muster mit geschlossener Kurve, ein Spiralmuster, ein Roulettemuster oder eine Kombination daraus umfassen. Ein Muster mit geschlossener Kurve kann jedes Muster sein, das eine Vielzahl von in radialer Richtung voneinander beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen Schweißpfaden, elliptischen Schweißpfaden oder Schweißpfaden mit analogen geschlossenen Kurven enthält, wobei eine bevorzugte Anzahl derartiger geschlossener Kurven von drei bis acht reicht. Ein spiralförmiges Muster kann jedes Muster sein, das einen einzigen Schweißpfad aufweist, der von einem feststehenden Punkt im Inneren ausgeht und sich von dem Punkt im Inneren aus radial nach außen erstreckt, während der Schweißpfad um den Punkt im Inneren kreist. Der feststehende Punkt im Inneren kann an oder in der Nähe des Mittelpunkts des Schweißmusters angeordnet sein, oder er kann zu dem Mittelpunkt des Schweißmusters versetzt sein. Ein Roulettemuster kann jedes Muster sein, das neben anderen Optionen einen epizykloiden Schweißpfad, einen epitrochoiden Schweißpfad und/oder einen hypozykloiden Schweißpfad enthält. 4A bis 4N veranschaulichen verschiedene Beispiele für diese Typen von Schweißmustern einschließlich ihrer beschrifteten nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 und des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang.
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Jedes der Schweißmuster, die in 4A–4E gezeigt sind, umfasst einen einzigen nichtlinearen inneren Schweißpfad 66, der von einem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang umgeben und damit verbunden ist. Insbesondere weist jedes der Schweißmuster, die in 4A–4E gezeigt sind, einen spiralförmigen inneren Schweißpfad 66 und einen kreisförmigen Schweißpfad 68 am Außenumfang auf. Der spiralförmige innere Schweißpfad 66 umkreist einen feststehenden Punkt im Inneren des Schweißmusters und weitet sich radial nach außen auf, bis er in den kreisförmigen Schweißpfad 68 am Außenumfang übergeht. Der spiralförmige innere Schweißpfad 66 kann kontinuierlich gekrümmt sein, wie in 4A–4C gezeigt ist, er kann aus Segmenten mit geraden Linien bestehen, die gemeinsam eine Spirale bilden, wie in 4D–4E gezeigt ist, oder er kann irgendeine Kombination dieser beiden sein. Wenn der Laserstrahl 40 entlang des spiralförmigen inneren Schweißpfads 66 befördert wird, der in einer der 4A–4E veranschaulicht ist, wodurch eine Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 entlang des inneren Schweißpfads 66 ausgebildet wird, überlappt sich die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche jede Umkreisung der Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, mit der durch Hitze beeinflussten Zone 64, welche mindestens eine benachbarte Umkreisung der Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt.
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Das Schweißmuster, das in 4F veranschaulicht ist, ist insofern ähnlich wie die Schweißmuster, die in 4A–4E veranschaulicht sind, als es einen einzigen nichtlinearen inneren Schweißpfad 66 umfasst, der von einem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang umgeben ist und damit verbunden ist. Hier in 4F enthält das Schweißmuster jedoch einen schlangenförmigen inneren Schweißpfad 66 und einen elliptischen Schweißpfad 68 am Außenumfang. Der schlangenförmige innere Schweißpfad 66 erstreckt sich von einer Seite des elliptischen Schweißpfads 68 am Außenumfang aus zu dem anderen Ende und er besteht sowohl aus gekrümmten als auch aus geraden Liniensegmenten. Und wenn der Laserstrahl 40 dem schlangenförmigen inneren Schweißpfad 66 folgt, wodurch eine Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 entlang des Schweißpfads 66 ausgebildet wird, überlappt sich wie zuvor die durch Hitze beeinflusste Zone 64, die jeden vertikalen Abschnitt (vertikal in 4F) der Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, mit der durch Hitze beeinflussten Zone 64, die mindestens einen anderen benachbarten vertikalen Abschnitt der Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt.
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4G–4I und 4K–4M veranschaulichen mehrere Ausführungsformen von Schweißmustern, bei denen der eine oder die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 von dem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang getrennt sind. Jedes der Schweißmuster, die in 4G–4I und 4K–4M gezeigt sind, umfasst beispielsweise eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen inneren Schweißpfaden 66 sowie einen kreisförmigen Schweißpfad 68 am Außenumfang. Die kreisförmigen inneren Schweißpfade 66 sind um einen zentralen Punkt herum konzentrisch angeordnet. Diese diskreten kreisförmigen Schweißpfade 66 können in radialer Richtung gleichmäßig voneinander beabstandet sein oder sie können voneinander in variierenden Distanzen beabstandet sein. Zudem kann wie gezeigt auch der kreisförmige Schweißpfad 68 am Außenumfang zusammen mit den kreisförmigen inneren Schweißpfaden 66 konzentrisch um einen zentralen Punkt herum angeordnet sein, obwohl eine derartige Beziehung zwischen den kreisförmigen inneren Schweißpfaden 66 und dem kreisförmigen Schweißpfad 68 am Außenumfang nicht verpflichtend ist. Wenn der Laserstrahl 40 jedem der kreisförmigen inneren Schweißpfade 66, die in 4G–4I und 4K–4M gezeigt sind, folgt und dadurch eine Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 entlang jedes kreisförmigen inneren Schweißpfads 66 ausbildet, überlappt sich die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche jede kreisförmige Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, mit der durch Hitze beeinflussten Zone 64 von mindestens einer benachbarten kreisförmigen Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60.
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Das Schweißmuster, das in 4J veranschaulicht ist, ähnelt den Schweißmustern, die in 4G–4I und 4K–4M veranschaulicht sind insofern, als es einen oder mehrere nichtlineare innere Schweißpfade 66 umfasst, die von dem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang getrennt sind. Das Schweißmuster von 4J umfasst beispielsweise eine Vielzahl von in radialer Richtung voneinander beabstandeten und nicht miteinander verbundenen elliptischen inneren Schweißpfaden 66, welche um einen zentralen Punkt herum konzentrisch angeordnet sein können, sowie einen elliptischen Schweißpfad 68 am Außenumfang. Die elliptischen inneren Schweißpfade 66 können in radialer Richtung gleichmäßig voneinander beabstandet sein oder sie können mit variierenden Distanzen voneinander beabstandet sein. Der elliptische Schweißpfad 68 am Außenumfang kann außerdem wenn gewünscht mit den elliptischen inneren Schweißpfaden 66 um einen zentralen Punkt herum konzentrisch angeordnet sein, obwohl es nicht so sein muss. Und ähnlich wie vorher überlappt sich die durch Hitze beeinflusste Zone 64, die jede elliptische Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, wenn der Laserstrahl 40 jedem der elliptischen inneren Schweißpfade 66 folgt, wodurch eine Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 entlang jedes elliptischen inneren Schweißpfads 66 ausgebildet wird, mit der durch Hitze beeinflussten Zone 64 von mindestens einer benachbarten elliptischen Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60.
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Das in 4N veranschaulichte Schweißmuster ähnelt den Schweißmustern, die in 4G–4M veranschaulicht sind, insofern, als es einen oder mehrere nichtlineare innere Schweißpfade 66 umfasst, die von dem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang getrennt sind. Dieses Schweißmuster umfasst jedoch eine Vielzahl von kreisförmigen inneren Schweißpfaden 66, bei denen jeder der kreisförmigen inneren Schweißpfade 66 mindestens einen und vorzugsweise mindestens zwei der anderen kreisförmigen inneren Schweißpfade 66 schneidet. In diesem speziellen Fall ist der umschließende Schweißpfad 68 am Außenumfang ein kreisförmiger Schweißpfad, der die Vielzahl von kreisförmigen inneren Schweißpfaden 66 umgibt. Und wieder überlappt wie zuvor, wenn der Laserstrahl 40 jedem der kreisförmigen inneren Schweißpfade 66 folgt, wodurch eine Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 entlang jedes kreisförmigen inneren Schweißpfads 66 ausgebildet wird, die durch Hitze beeinflusste Zone 64, welche jede kreisförmige Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, mit der durch Hitze beeinflussten Zone 64 von mindestens einer anderen kreisförmigen Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60. In der Tat schneidet in dieser Ausführungsform die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60, die jedem der kreisförmigen inneren Schweißpfade 66 zugeordnet ist, tatsächlich die Trassen aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60, die mindestens zwei weiteren kreisförmigen inneren Schweißpfaden 66 zugeordnet sind.
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Mit Bezug auf 5–6 wird das Eindringen des Schlüssellochs 56 gesteuert, während der Laserstrahl 40 entlang des vorbestimmten Schweißmusters befördert wird. Speziell wird, wie in 5 gezeigt ist, ein Schlüsselloch 56, welches den Werkstückstapel 10 vollständig durchdringt – was bedeutet, dass sich das Schlüsselloch 56 von der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 aus (auch Oberfläche 18 in dieser Ausführungsform) durch die untere Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 hindurch erstreckt (auch Oberfläche 22 in dieser Ausführungsform) – aufrechterhalten, wenn der Laserstrahl 40 entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 befördert wird. Andererseits wird, wie in 6 gezeigt ist, ein Schlüsselloch 56, welches teilweise in den Werkstückstapel 10 eindringt – was bedeutet, dass sich das Schlüsselloch 56 von der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 aus in den Stapel 10 hinein erstreckt, aber die untere Oberfläche 28 des Werkstückstapels 10 nicht erreicht – aufrechterhalten, wenn der Laserstrahl 40 entlang des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang befördert wird. Wenn das teilweise eindringende Schlüsselloch 56 entlang des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang befördert wird, muss das Schlüsselloch 56 nicht unbedingt so weit in den Stapel 10 eindringen, dass es die Stoßschnittstelle 30 in der Weise durchquert, die in 6 dargestellt ist. Tatsächlich kann sich das teilweise eindringende Schlüsselloch 56 während zumindest eines Teils der oder sogar der gesamten Zeit, in der der Laserstrahl 40 dem umschließenden Schweißpfad 68 am Außenumfang folgt, nur über eine Teilstrecke von der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 aus zu der Stoßschnittstelle 30 hin erstrecken, wodurch es in das erste Werkstück 12 aus Stahl aber nicht in das zweite Werkstück 14 aus Stahl eindringt.
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Die verschiedenen Niveaus des Eindringens des Schlüssellochs, die beim Befördern des Laserstrahls 40 entlang (1) des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 und (2) des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang erreicht werden, tragen unterschiedliche, jedoch komplementäre strukturelle Attribute zu der endgültigen Schweißfügestelle 50 bei. Das Befördern des Laserstrahls 40 und des vollständig eindringenden Schlüssellochs 56 entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 bildet die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 entlang der Schweißpfade 66 derart aus, dass das wiedererstarrte Werkstückmaterial die Stoßschnittstelle 30 durchquert und die Werkstücke 12, 14 aus Stahl miteinander durch eine Schmelzschweißnaht verbindet. Das vollständig eindringende Schlüsselloch 56 stellt außerdem eine Leitung bereit, durch welche Zinkdämpfe von der Stoßschnittstelle 30 weg entlüftet werden können, so dass die Trassen aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60, die entlang der nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 ausgebildet werden, trotz der Tatsache, dass die Stoßschnittstelle 30 eine Schnittstelle ohne Spalt ist, nicht genügend Schweißdefekte enthalten, die der Diffusion und dem Einschließen von Zinkdämpfen in dem Schmelzbad 58 aus Stahlschmelze zuzuschreiben sind. Darüber hinaus wird vermutet, dass zusätzlich zu dem vollständig eindringenden Schlüsselloch 56 die sich überlappenden durch Hitze beeinflussten Zonen 64, die aus der Kontur und dem Zwischenraum zwischen dem einen oder den mehreren nichtlinearen Schweißpfaden 66 hergeleitet werden, die potentiell nachteiligen Effekte der Zinkschichten 36 weiter reduzieren, die an der Stoßschnittstelle 32 ohne Spalt vorhanden sind.
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Ohne Rücksicht auf die Theorie wird vermutet, dass die Hitze von dem Laserstrahl 40, welche die durch Hitze beeinflussten Zonen 64 um jede Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 herum erzeugt, einen Teil des oder das gesamte verdampfbare Zink entfernt, das bei dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl innerhalb der durch Hitze beeinflussten Zonen 64 enthalten ist. Das Entfernen des verdampfbaren Zinks kann durch Verdampfung, hitzeunterstütze Reaktionen oder einen anderen Neutralisierungsmechanismus stattfinden. Wenn der Laserstrahl 40 folglich entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 voranschreitet, breitet sich die Hitze, die von dem Laserstrahl 40 eingegeben wird, von dem vollständig durchdringenden Schlüsselloch 56 und von dem Schmelzbad 58 aus Stahlschmelze, welches dieses umgibt, aus und in zumindest einen Teil einer zuvor erzeugten durch Hitze beeinflussten Zone 64 hinein, bei der verdampfbares Zink im Vergleich mit Bereichen außerhalb der durch Hitze beeinflussten Zone 64 nicht so häufig vorkommt. Man glaubt, dass diese lokale Reduktion von leicht verdampfbarem Zink es dem vollständig eindringenden Schlüsselloch 56 erleichtert, genügend Zinkdämpfe von der Stoßschnittstelle 30 weg zu entlüften, sodass Schweißdefekte, wie etwa Porosität und Schweißspritzer in den Trassen aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 nicht in einem nicht akzeptablem Ausmaß enthalten sind.
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Beispielsweise wird speziell mit Bezug auf 4G angenommen, dass der Laserstrahl 40 von dem innersten kreisförmigen inneren Schweißpfad 66 zu dem äußersten kreisförmigen inneren Schweißpfad 66 voranschreitet, wenn er dem Schweißmuster folgt. Der Laserstrahl 40 wird daher zuerst entlang des innersten kreisförmigen inneren Schweißpfads 66 befördert, um eine entsprechende kreisförmige Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 und eine umgebende durch Hitze beeinflusste Zone 64 zu erzeugen. Als Nächstes wird der Laserstrahl 40 entlang des nächsten kreisförmigen inneren Schweißpfads 66 befördert, welcher den innersten kreisförmigen inneren Schweißpfad 66 unmittelbar umgibt. Wenn dies stattfindet, wird die Hitze, die durch den Laserstrahl 40 eingegeben wird, entlang und durch einen Teil der durch Hitze beeinflussten Zone 64 hindurch geschoben, welche die Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 umgibt, die dem innersten kreisförmigen inneren Schweißpfad 66 zugeordnet ist, was später zu sich überlappenden durch Hitze beeinflussten Zonen 64 führt, was allgemein in 3–3A dargestellt ist. Die gleiche Interaktion von Hitze, die durch den Laserstrahl 40 eingegeben wird, und von zuvor ausgebildeten durch Hitze beeinflussten Zonen 64 wird fortgesetzt, bis der Laserstrahl 40 dem äußersten und letzten kreisförmigen inneren Schweißpfad 66 gefolgt ist. Am Ende werden, wenn der Laserstrahl 40 entlang aller kreisförmiger innerer Schweißpfade 66 befördert wurde, die mehreren resultierenden kreisförmigen Trassen aus erstarrtem Werkstückmaterial 60 minimale Schweißdefekte, falls überhaupt, aufweisen, die aus Zinkdämpfen abgeleitet werden, aufgrund der verringerten Mengen von verdampfbarem Zink, die in den durch Hitze beeinflussten Zonen 64 vorhanden sind, die durch die Hitze beeinträchtigt werden, die durch den sich voran bewegenden Laserstrahl 40 eingegeben wird.
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Das Befördern des Laserstrahls 40 und des teilweise eindringenden Schlüssellochs 56 entlang des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang dient einem anderen Zweck. Zwar ist es akzeptabel, dass das teilweise eindringende Schlüsselloch 56 die Stoßschnittstelle 30 für einen Teil oder die gesamte Zeit durchquert, in der der Laserstrahl 40 dem Schweißpfad 68 am Außenumfang folgt, wodurch eine Trasse aus wiedererstarrtem Werkstückmaterial 60 erzeugt wird, die das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl miteinander mit minimalen Schweißdefekten durch eine Schmelzschweißnaht verbindet, jedoch ist dies nicht das einzige Ziel. Stattdessen wird das teilweise eindringende Schlüsselloch 56 entlang des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang befördert, so dass das seichtere teilweise eindringende Schlüsselloch 56 und das breitere Schmelzbad 58 aus Stahlschmelze, das das Schlüsselloch 56 umgibt (verglichen mit dem vollständig eindringenden Schlüsselloch 56) einen glatteren Übergang auf der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 zwischen der Laserschweißfügestelle 50 und den benachbarten umgebenden Abschnitten des Stapels 10 außerhalb der Laserschweißverbindungsstelle 50 schaffen kann. Die Schaffung eines glatteren Übergangs vermeidet die Ausbildung eines scharfen Grats entlang der Grenze der Laserschweißfügestelle 50 auf der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10. Das Vermeiden eines scharfen Grats ist hier vorzuziehen, da dieser leicht belastet werden und dadurch die Fügestelle 50 schwächen kann, ein Durchbrennen fördern kann und das Erscheinungsbild der Schweißfügestelle 50 nachteilig beeinflusst.
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Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 56 kann durch verschiedene Laserschweißprozessparameter gesteuert werden, welche das Leistungsniveau des Laserstrahls 40, die Position des Brennpunkts 54 des Laserstrahls 40 relativ der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 (d.h. Brennpunktposition) und die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 40 relativ zu dem Werkstückstapel 10 umfassen. Allgemein kann das Eindringen des Schlüssellochs 56 erhöht werden, indem das Leistungsniveau des Laserstrahls 40 erhöht wird, der Laserstrahl durch Bewegen des Brennpunkts 54 zu der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 hin fokussiert wird (entlang der Z-Richtung, die in 1 dargestellt ist), die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 40 verringert wird oder eine Kombination daraus. Umgekehrt kann das Eindringen des Schlüssellochs 56 verringert werden, indem das Leistungsniveau des Laserstrahls 40 verringert wird, der Laserstrahl 40 durch Bewegen des Brennpunkts 54 von der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 weg defokussiert wird, um die Distanz zwischen dem Brennpunkt 54 und der oberen Oberfläche 26 zu erhöhen, die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 40 erhöht wird oder eine Kombination daraus. Durch diese Prozessparameter und die vielen Weisen, auf die diese justiert werden können, kann das Schlüsselloch 56 leicht zwischen dem vollständigen Eindringen 56 und dem teilweisen Eindringen 56 und umgekehrt wechseln, während der Laserstrahl 40 entlang des Schweißmusters befördert wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Schaffen und Aufrechterhalten des vollständig eindringen Schlüssellochs 56 die Brennpunktposition des Laserstrahls 40 so eingestellt, dass sein Brennpunkt 54 an der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 angeordnet ist. Der Brennpunktabstand ist in diesem Fall Null. Der Begriff "Brennpunktabstand" bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, die Distanz zwischen dem Brennpunkt 54 und der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10, wobei Distanzen unter der oberen Oberfläche 26 negative Distanzen sind (d.h. Brennpunktabstand < 0) und Distanzen über der oberen Oberfläche 26 positive Distanzen sind (d.h. Brennpunktabstand > 0). Wenn jedoch das teilweise eindringende Schlüsselloch 56 gewünscht ist, wird die Brennpunktposition des Laserstrahls 40 vorzugsweise so eingestellt, dass sein Brennpunkt 54 über der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 positioniert ist, was zu einem positiven Brennpunktabstand führt. Ein Brennpunktabstand, der verwendet werden kann, um das teilweise eindringende Schlüsselloch 56 zu unterstützen, liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 10 mm und 30 mm über der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10.
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In jedem Fall, ob das Schlüsselloch 56 nun vollständig oder nur teilweise in den Werkstückstapel 10 eindringt, können das Leistungsniveau und die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 40 so gewählt werden, dass sie die Brennpunktposition des Laserstrahls 40 komplementieren, um ein stabiles Schlüsselloch 56 mit der gewünschten Eindringtiefe zu erreichen. Obwohl das exakte Leistungsniveau und die exakte Bewegungsgeschwindigkeit, die verwendet werden, von einer Vielfalt von Faktoren abhängen, welche die Dicke und die Stahlbestandteile des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl umfassen, liegen das Leistungsniveau und die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 40 oft in einem Bereich von 2,25 kW bis 2,95 kW bzw. 3,5 m/min bis 6,0 m/min, wenn der Brennpunktabstand des Laserstrahls 40 Null ist und das vollständig eindringende Schlüsselloch 56 gewünscht ist. Wenn der Brennpunktabstand des Laserstrahls 40 andererseits größer als Null ist, etwa zwischen 10 mm und 30 mm liegt, und das teilweise eindringende Schlüsselloch 56 gewünscht ist, liegen das Leistungsniveau und die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 40 oft in einem Bereich von 2,35 kW bis 3,05 kW bzw. von 4,0 m/min bis 6,5 m/min.
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7 veranschaulicht ein repräsentatives Beispiel dafür, wie das Leistungsniveau (P), die Bewegungsgeschwindigkeit (V) und die Brennpunktposition (F) des Laserstrahls 40 justiert werden können, wenn der Laserstrahl 40 entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 und des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang eines Schweißmusters befördert wird, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ausgestaltet ist. Bei diesem Beispiel bildet der eine oder bilden die mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 einen spiralförmigen inneren Schweißpfad und der umschließende Schweißpfad 68 am Außenumfang bildet einen kreisförmigen Schweißpfad am Außenumfang, der den spiralförmigen inneren Schweißpfad umgibt und damit verbunden ist. Der Laserstrahl 40 wird entlang des spiralförmigen inneren Schweißpfads zwischen T = 0,00 Sekunden und T = 0,45 Sekunden unter Verwendung eines vollständig eindringenden Schlüssellochs 56 befördert, und er wird dann entlang des kreisförmigen Schweißpfads am Außenumfang unter Verwendung eines teilweise eindringenden Schlüssellochs 56 zwischen T = 0,45 Sekunden und T = 0,72 Sekunden befördert.
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Zu Beginn, bei T = 0,00 Sekunden, wird der Laserstrahl 40 auf einen feststehenden Punkt im Inneren auf der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 gelenkt. Ein vollständig eindringendes Schlüsselloch 56 wird an dem feststehenden Punkt im Inneren erzeugt, indem das Leistungsniveau P und die Brennpunktposition des Laserstrahls 40 eingestellt werden, um die erforderliche Leistungsdichte zu erreichen, die zum Einleiten und Unterstützen des vollständig eindringenden Schlüssellochs 56 benötigt werden. Das Leistungsniveau P des Laserstrahls 40 wird größtenteils in Abhängigkeit von der Reflektivität der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 sowie von den spezifischen Dicken und Stahlzusammensetzungen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl eingestellt. Die Brennpunktposition F wird so eingestellt, dass der Brennpunkt 54 des Laserstrahls 40 auf der oberen Oberfläche 26 angeordnet ist, um die von dem Laserstrahl 40 gelieferte Leistung tief in den Werkstückstapel 10 hinein zu konzentrieren. Wenn der Brennpunkt 54 des Laserstrahls 40 derart positioniert ist, ist der Brennpunktabstand zwischen der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 und dem Brennpunkt 54 Null.
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Sobald das vollständig eindringende Schlüsselloch 56 ausgebildet und stabil ist, wird der Laserstrahl 40 entlang des spiralförmigen inneren Schweißpfads befördert. Und tatsächlich wird, wie allgemein in 7 (zwischen T = 0,05 Sekunden und T = 0,20 Sekunden) gezeigt ist, das Leistungsniveau P des Laserstrahls 40 inkrementell verringert und die Bewegungsgeschwindigkeit V des Laserstrahls 40 wird inkrementell erhöht, sobald das vollständig eindringende Schlüsselloch 56 ausgebildet ist und sich bewegt, da eine geringere Leistungsdichte benötigt wird, um das Schlüsselloch 56 aufrechtzuerhalten, als zum Erzeugen desselben benötigt wird. Das Leistungsniveau P wird reduziert und die Bewegungsgeschwindigkeit V wird bei T = 0,20 Sekunden auf Werte erhöht, die bis zu T = 0,45 Sekunden konsistent bleiben. Die Konvergenz des Leistungsniveaus P und der Bewegungsgeschwindigkeit V auf ihre konstanten Werte wird aus mehreren Gründen durchgeführt: (1) um zum Unterdrücken von Schweißspritzern beizutragen und um sicherzustellen, dass der Laserstrahl 40 während des Prozesses zum Laserschweißen aus der Ferne das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl nicht überhitzt und irgendeinen Abschnitt der Werkstücke 12, 14 aus Stahl permanent wegschmelzen lässt, und (2) um den Laserstrahl 40 mit einer Bewegungsgeschwindigkeit zu befördern, die in der Lage ist, Zinkdämpfe, die an der Stoßschnittstelle 30 ohne Spalt erzeugt werden, durch das Schlüsselloch 56 effizient und effektiv zu entlüften.
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Schließlich beendet der Laserstrahl 40 das Verfolgen des spiralförmigen inneren Schweißpfads und wechselt zum Verfolgen des kreisförmigen Schweißpfads am Außenumfang. Der Übergang auf den kreisförmigen Schweißpfad am Außenumfang findet in 7 bei T = 0,45 Sekunden statt. Zu diesem Zeitpunkt, zwischen T = 0,45 Sekunden und T = 0,50 Sekunden, wird das vollständig eindringende Schlüsselloch 56 zu einem teilweise eindringenden Schlüsselloch 56 modifiziert und letzteres wird entlang des kreisförmigen Schweißpfads am Außenumfang befördert. In diesem Beispiel wird hier zum Erzeugen des teilweise eindringenden Schlüssellochs 56 der Laserstrahl 40 derart defokussiert, dass der Brennpunkt 54 von der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 (Brennpunktabstand = 0) auf einen Abstand über der oberen Oberfläche 26 des Werkstückstapels 10 (Brennpunktabstand > 0) neu positioniert wird. Ein Defokussieren des Laserstrahls 40 auf diese Weise verteilt die Leistung, die von dem Laserstrahl 40 geliefert wird, über einen größeren Bereich, was wiederum die Leistungsdichte des Laserstrahls 40 reduziert und dadurch die Eindringtiefe des Schlüssellochs verringert. Das Leistungsniveau P und die Bewegungsgeschwindigkeit V des Laserstrahls 40 können außerdem zu dem gleichen Zeitpunkt erhöht werden, an dem der Laserstrahl 40 defokussiert wird, um zum Unterstützen und Aufrechterhalten des teilweise eindringenden Schlüssellochs 56 beizutragen, sowie um die Beförderung des Laserstrahls 40 zu beschleunigen.
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Es sei angemerkt, dass die Reihenfolge, in welcher der Laserstrahl 40 entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 und des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang befördert wird, variieren kann. Der Laserstrahl 40 kann beispielsweise zuerst entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 und dann entlang des Schweißpfads 68 am Außenumfang befördert werden. In einem anderen Beispiel jedoch kann der Laserstrahl 40 zuerst entlang des Schweißpfads 68 am Außenumfang und dann entlang des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 befördert werden. Zusätzlich kann der Laserstrahl 40 in Ausführungsformen, bei denen das Schweißmuster eine Vielzahl von nichtlinearen inneren Schweißpfaden 66 umfasst, entlang der inneren Schweißpfade 66 in einer beliebigen Reihenfolge befördert werden, was umfasst, von dem innersten inneren Schweißpfad 66 zu dem äußersten inneren Schweißpfad 66, von dem äußersten inneren Schweißpfad 66 zu dem innersten inneren Schweißpfad 66 oder in einer anderen Reihenfolge. Des Weiteren kann in anderen Ausführungsformen der Laserstrahl 40 entlang einiger des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 befördert werden, dann kann er entlang des umschließenden Schweißpfads 68 am Außenumfang befördert werden, und schließlich kann er entlang des Rests des einen oder der mehreren nichtlinearen inneren Schweißpfade 66 befördert werden, um das Schweißmuster abzuschließen.
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Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und speziellen Beispielen ist lediglich beschreibend; diese sind nicht zum Beschränken des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche gedacht. Alle Begriffe, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, sollen ihre gewöhnliche und allgemeine Bedeutung erhalten, sofern nicht in der Beschreibung spezifisch und unzweideutig etwas anderes ausgesagt ist.
