DE112016005576T5

DE112016005576T5 - Verfahren zum Laserpunktschweißen von beschichteten Stählen

Info

Publication number: DE112016005576T5
Application number: DE112016005576.5T
Authority: DE
Inventors: David Yang; Wu Tao; Li Sun
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2018-08-23
Also published as: US11077522B2; US20200316713A1; CN108463308B; CN108463308A; WO2017124216A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels (10) offenbart, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke (12, 14) aus Stahl enthält, von denen mindestens eines eine Oberflächenbeschichtung (40) enthält. Das Verfahren umfasst, dass ein Laserstrahl (24) auf die obere Oberfläche (20) des Werkstückstapels (10) gelenkt wird, um ein Schmelzbad (90) aus Stahlschmelze zu erzeugen, das in den Werkstückstapel (10) eindringt. Das Schmelzbad (90) aus Stahlschmelze wird dann wachsen gelassen, damit es weiter in den Stapel (10) hineindringt, indem eine Strahlungsstärke des Laserstrahls (24) erhöht wird, während die auf eine Ebene der oberen Oberfläche (20) des Werkstückstapels (10) abgebildete Schnittfläche (86) des Laserstrahls (24) verringert wird. Das Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahls (24) kann bewerkstelligt werden, indem ein Brennpunkt (62) des Laserstrahls (24) näher an die obere Oberfläche (20) heran bewegt wird, oder indem ein Einfallswinkel (82) des Laserstrahls (24) verringert wird, um die Exzentrizität der abgebildeten Schnittfläche (86) des Laserstrahls (24) zu verringern.

Description

Technisches Gebiet
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und insbesondere ein Verfahren zum Verschweißen von zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Stahl durch Laserpunktschweißen.
Hintergrund
Das Laserpunktschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei welchem ein Laserstrahl auf einen Stapel aus Werkstücken aus Metall gelenkt wird, um eine konzentrierte Energiequelle bereitzustellen, die zum Bewirken einer Schweißfügestelle zwischen den beteiligten sich überlappenden Werkstücken aus Metall in der Lage ist. Allgemein werden zuerst zwei oder mehr Werkstücke aus Metall relativ zueinander ausgerichtet und gestapelt, sodass sich ihre Stoßoberflächen überlappen und einander gegenüber liegen, um eine (oder mehrere) Stoßschnittstelle(n) herzustellen, die sich durch einen beabsichtigten Schweißort hindurch erstreckt/erstrecken. Dann wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels an dem Schweißort gelenkt und trifft darauf auf. Die aus der Absorption von Energie von dem Laserstrahl erzeugte Hitze leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall ein und erzeugt ein Schmelzbad innerhalb des Werkstückstapels. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls groß genug ist, wird direkt unter dem Laserstrahl ein Schlüsselloch erzeugt, das von dem Schmelzbad umgeben ist. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, das von den Werkstücken aus Metall innerhalb des Werkstückstapels stammt und Plasma enthalten kann.
Der Laserstrahl erzeugt das Schmelzbad nach dem Auftreffen auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels in sehr kurzer Zeit. Nach der Erzeugung wächst das Schmelzbad an, wenn der Laserstrahl mit dem Liefern von Energie an den Werkstückstapel fortfährt. Das Schmelzbad wächst schließlich so weit an, dass es durch das Werkstück aus Metall hindurch dringt, auf das der Laserstrahl auftrifft, und in das oder die darunterliegenden Werkstücke aus Metall bis zu einer Tiefe eindringt, sodass jede der hergestellten Stoßschnittstellen geschnitten wird. Die allgemeine Gestalt und Eindringtiefe des Schmelzbads kann durch Steuern verschiedener Eigenschaften des Laserstrahls verwaltet werden, welche dessen Leistung und Brennpunktposition umfassen. Wenn sich das Schmelzbad stabilisiert hat und die gewünschte Eindringtiefe in den Werkstückstapel erreicht hat, wird die Übertragung des Laserstrahls beendet, sodass er nicht mehr auf die obere Oberfläche am Schweißort auftrifft. Das Schmelzbad kühlt sich schnell ab und erstarrt (und lässt das Schlüsselloch kollabieren, falls vorhanden), um eine Laserpunktschweißfügestelle auszubilden, die aus wiedererstarrtem Verbundwerkstückmaterial besteht, das von jedem der Werkstücke stammt, in die das Schmelzbad eingedrungen ist. Das wiedererstarrte Verbundwerkstückmaterial der Punktschweißfügestelle führt ein autogenes Schmelzschweißen der sich überlappenden Werkstücke am Schweißort aus.
Die Kraftfahrzeugindustrie ist an der Verwendung des Laserschweißens zur Fertigung von Teilen interessiert, die an einem Fahrzeug installiert werden können. In einem Beispiel kann der Korpus einer Fahrzeugtür aus einem Türinnenblech und einem Türaußenblech hergestellt werden, die miteinander durch eine Vielzahl von Laserschweißpunkten zusammengefügt sind. Die Türinnen- und Außenbleche werden zunächst relativ zueinander gestapelt und durch Klemmen fixiert. Dann wird ein Laserstrahl sequenziell an mehrere Schweißorte um die gestapelten Bleche herum in Übereinstimmung mit einer programmierten Sequenz gelenkt, um die Vielzahl von Laserpunktschweißstellen wie vorstehend beschrieben auszubilden. Der Prozess des Laserpunktschweißens von Türinnen- und Außenblechen (sowie von anderen Fahrzeugteilkomponenten, etwa denjenigen, die zur Herstellung von Motorhauben, Heckklappen, Karosseriestrukturen wie etwa Karosserieseiten- und Querelementen, lastführenden Strukturelementen usw. verwendet werden) ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann. Der vorstehend erwähnte Wunsch zum Laserpunktschweißen von Werkstücken aus Metall ist nicht spezifisch für die Kraftfahrzeugindustrie; in der Tat erstreckt er sich auf andere Industrien, die Laserschweißen als einen Fügeprozess nutzen können, und die unter anderem die Luftfahrt-, Wasserfahrzeug-, Eisenbahn- und Bauindustrie umfassen.
Die Verwendung des Laserpunktschweißens zum Zusammenfügen von beschichteten Werkstücken aus Metall, die in der Fertigungspraxis oft verwendet werden, kann Probleme bereitstellen. Beispielsweise enthalten Werkstücke aus Stahl oft eine dünne zinkbasierte Oberflächenbeschichtung als Korrosionsschutz. Zink weist einen Siedepunkt von etwa 906 °C auf, während der Schmelzpunkt des Basissubstrats aus Stahl, das es beschichtet, typischerweise höher als 1300 °C ist. Wenn daher ein Werkstück aus Stahl, das eine zinkbasierte Außenbeschichtung enthält, mit Laserpunktschweißen geschweißt wird, werden leicht Zinkdämpfe unter Hochdruck an der Oberfläche des Werkstücks aus Stahl erzeugt und weisen die Tendenz zum Stören des Laserschweißprozesses auf. Im Speziellen werden die Zinkdämpfe, die an der oder den Stoßschnittstellen der Werkstücke aus Stahl erzeugt werden, zum Diffundieren in das Schmelzbad hinein, welches durch den Laserstrahl erzeugt wird, und durch dieses hindurch gezwungen, sofern nicht eine alternative Entweichöffnung durch den Werkstückstapel bereitgestellt wird. Wenn keine adäquate Entweichöffnung bereitgestellt wird, können Zinkdämpfe in dem Schmelzbad gefangen bleiben, wenn es sich abkühlt und erstarrt, was zu Defekten in der resultierenden Schweißfügestelle führen kann - etwa Spritzer und Porosität -, welche die mechanischen Eigenschaften der Laserpunktschweißfügestelle in einem derartigen Ausmaß verschlechtern können, dass die Fügestelle als nicht akzeptabel betrachtet werden kann.
Um zu verhindern, dass Zinkdämpfe unter Hochdruck in das Schmelzbad hinein diffundieren, haben herkömmliche Fertigungsprozeduren dass Einritzen durch Laser oder das mechanische Ausbilden von Vertiefungen an mindestens einem der zwei Werkstücke an jeder Stoßschnittstelle verlangt, an der eine zinkbasierte Beschichtung vorhanden ist, bevor ein Laserpunktschweißen ausgeführt wird. Die Prozesse des Einritzens durch Laser oder des mechanischen Ausbildens von Vertiefungen erzeugen voneinander beanstandete vorstehende Merkmale an der Stoßoberfläche jedes Werkstücks aus Stahl, das auf diese Weise verarbeitet wird. Wenn folglich das eingeritzte/mit Vertiefungen versehene Werkstück aus Stahl innerhalb des Werkstückstapels gestapelt wird, führen die vorstehenden Merkmale einen Spalt von etwa 0,1-0,2 mm zwischen der Stoßoberfläche, an welcher sie ausgebildet wurden, und der gegenüberliegenden Oberfläche des benachbarten Werkstücks aus Stahl ein, welcher einen Fluchtweg bereitstellt, um die Zinkdämpfe entlang der hergestellten Stoßschnittstelle und vom Schweißort weg zu leiten. Aber das Ausbilden dieser vorstehenden Merkmale fügt einen zusätzlichen Schritt zu dem Gesamtprozess des Laserpunktschweißens hinzu und man vermutet, dass es zum Auftreten von Schweißfügestellen mit Kerben [engl.: undercut weld joints] beiträgt.
Werkstücke aus Stahl, die in der Fertigungspraxis verwendet werden, können aus leistungsbezogenen Gründen neben zinkhaltigen Oberflächenbeschichtungen auch andere Typen von Oberflächenbeschichtungen enthalten. Andere erwähnenswerte Oberflächenbeschichtungen umfassen aluminiumbasierte Beschichtungen wie etwa Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung, um nur ein paar zusätzliche Beispiele zu erwähnen. Anders als Zink sieden diese Oberflächenbeschichtungen nicht bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von Stahl, sodass es unwahrscheinlich ist, dass sie Hochdruckdämpfe an der oder den Stoßschnittstellen des Werkstückstapels erzeugen. Trotzdem können diese Oberflächenbeschichtungen durch das Schmelzbad am Schweißort geschmolzen und gefangen werden. Das Einbringen derartiger ungleichartiger geschmolzener Materialien in das Schmelzbad kann zu einer Vielfalt von Schweißdefekten führen, die das Potenzial zum Verschlechtern der mechanischen Eigenschaften der Laserpunktschweißfügestelle aufweisen. Zum Beispiel können geschmolzenes Aluminium oder geschmolzene Aluminiumlegierungen (z.B. AISi- oder AlMg-Legierungen) den Stahlgehalt des Schmelzbades verdünnen und spröde Fe-Al-Zwischenmetallphasen innerhalb der Schweißfügestelle ausbilden sowie das Abkühlverhalten des Schmelzbads negativ beeinflussen. Es wäre daher eine willkommene Erweiterung der Technik, wenn zwei oder mehr Werkstücke aus Stahl - von denen mindestens eines eine Oberflächenbeschichtung enthält (d.h. nicht als ein „blanker“ Stahl betrachtet wird) - auf eine Weise miteinander durch Laserpunktschweißen verschweißt werden könnten, welche die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sich Schweißdefekte, die von der oder den Oberflächenbeschichtungen stammen, innerhalb der Laserpunktschweißfügestelle ansammeln und deren Festigkeit negativ beeinflussen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Es wird ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels offenbart, der einander überlappende Werkstücke aus Stahl enthält. Der Werkstückstapel enthält zwei oder mehr Werkstücke aus Stahl, und mindestens eines dieser Werkstücke aus Stahl (und möglicherweise alle Werkstücke aus Stahl) enthält/enthalten eine Oberflächenbeschichtung. Die Oberflächenbeschichtung kann aus Zink oder aus einem aluminiumbasierten Material wie etwa Aluminium, einer Aluminium-Silizium-Legierung oder einer Aluminium-Magnesium-Legierung bestehen und weist vorzugsweise eine Dicke auf, die innerhalb des Bereichs von 3 µm bis 30 µm liegt. Obwohl beliebige dieser Oberflächenbeschichtungen aus einer Vielfalt von Gründen zu einem darunterliegenden Basissubstrat aus Stahl hinzugefügt werden können - eine nicht einschränkende Liste von Gründen besteht im Verbessern eines Korrosionsschutzes, dem Verbessern der Festigkeit und/oder dem Verbessern der Formbarkeit - kann deren Anwesenheit eine Quelle für Schweißdefekte in der Laserpunktschweißfügestelle sein. Das offenbarte Laserpunktschweißverfahren minimiert den Einfluss, den Oberflächenbeschichtungen auf die Laserpunktschweißfügestelle aufweisen können, ohne dass es die Praxis von Korrekturprozeduren benötigt - diese aber selbstverständlich nicht verhindert - wie zum Beispiel im Fall eines zinkbeschichteten Stahls die beabsichtigte Anordnung von Spalten zwischen den Werkstücken aus Stahl an der Stoßschnittstelle, an der die Zinkbeschichtung vorhanden ist, mithilfe von Einritzen durch Laser oder durch mechanisches Ausbilden von Vertiefungen.
Zu Beginn umfasst das Laserpunktschweißverfahren das Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl (z.B. zwei oder drei sich überlappende Werkstücke aus Stahl) enthält. Die Werkstücke aus Stahl werden derart übereinander gelagert, dass eine Stoßschnittstelle zwischen den Stoßoberflächen eines jedes Paares von benachbarten sich überlappenden Werkstücken aus Stahl ausgebildet wird. Beispielsweise enthält der Werkstückstapel in einer Ausführungsform erste und zweite Werkstücke aus Stahl mit ersten bzw. zweiten Stoßoberflächen, die einander überlappen und einander gegenüber liegen, um eine einzige Stoßschnittstelle herzustellen. In einer anderen Ausführungsform enthält der Werkstückstapel ein zusätzliches drittes Werkstück aus Stahl, das zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück aus Stahl angeordnet ist. Auf diese Weise weisen das erste und das zweite Werkstück aus Stahl jeweils erste und zweite Stoßoberflächen auf, die sich mit einander entgegengesetzten Stoßoberflächen des dritten Werkstücks aus Stahl überlappen und diesen gegenüber liegen, um zwei Stoßschnittstellen herzustellen. Wenn ein drittes Werkstück aus Stahl vorhanden ist, können das erste und zweite Werkstück aus Stahl separate und verschiedene Teile sein oder sie können alternativ verschiedene Abschnitte des gleichen Teils sein, etwa wenn ein Rand eines Teils über einen freien Rand eines anderen Teils gefaltet ist.
Nachdem der Werkstückstapel bereitgestellt wurde, wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels an einem Schweißort gelenkt und trifft darauf auf. Die Strahlungsstärke des Laserstrahls weist ein anfängliches Niveau auf, wenn der Laserstrahl zum ersten Mal auf die obere Oberfläche gerichtet wird. Diese anfängliche Strahlungsstärke des Laserstrahls erzeugt ein Schmelzbad aus Stahlschmelze, das in den Werkstückstapel eindringt. Zu einem Zeitpunkt, nachdem das Schmelzbad aus Stahlschmelze erzeugt wurde, wird die Strahlungsstärke des Laserstrahls auf ein höheres Niveau erhöht, welches das Schmelzbad anwachsen lässt und veranlasst, dass es in den Werkstückstapel in Richtung auf die untere Oberfläche eindringt. Das Schmelzbad aus Stahlschmelze dringt tief genug in den Werkstückstapel ein, dass es jede Stoßschnittstelle schneidet, die innerhalb des Stapels hergestellt wurde. In einigen Ausführungsformen dringt das Schmelzbad aus Stahlschmelze in den Werkstückstapel bis zu einer Tiefe innerhalb des zweiten Werkstücks aus Stahl ein, und in anderen Ausführungsformen dringt das Schmelzbad aus Stahlschmelze vollständig durch das zweite Werkstück aus Stahl hindurch und durchbricht folglich die untere Oberfläche des Stapels. Man vermutet, dass das Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahls während des Wachstums des Schmelzbads aus Stahlschmelze das Schmelzbad aus Stahlschmelze in einen besseren Zustand zum Erstarren zu einer Laserschweißfügestelle mit guter Festigkeit und guten mechanischen Eigenschaften versetzt.
Die Strahlungsstärke des Laserstrahls kann von ihrem anfänglichen Niveau auf ihr höheres Niveau erhöht werden, indem die auf eine Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Laserstrahls reduziert wird. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der Brennpunkt des Laserstrahls entlang seiner Strahlenlängsachse relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels derart bewegt werden, dass ein besser fokussierter Abschnitt des Strahls die Ebene der oberen Oberfläche schneidet. Als weiteres Beispiel kann der Einfallswinkel des Laserstrahls verringert werden, um die Exzentrizität der auf die Ebene der oberen Oberfläche abgebildeten Schnittfläche des Laserstrahls zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Strahlungsstärke des Laserstrahls während der Erzeugung und des Anwachsens des Schmelzbads aus Stahlschmelze so gesteuert werden, dass entweder in einem Konduktions-Schweißmodus oder in einem Schlüsselloch-Schweißmodus gearbeitet wird. Im Konduktions-Schweißmodus ist der Strahlungsstärkenbereich des Laserstrahls von seinem anfänglichen Strahlungsstärkenniveau bis zu seinem höheren Strahlungsstärkenniveau niedrig genug, dass die Energie des Laserstrahls als Hitze durch die Werkstücke aus Stahl geleitet wird, um nur das Schmelzbad aus Stahlschmelze zu erzeugen. Im Schlüsselloch-Schweißmodus ist der Strahlungsstärkenbereich des Laserstrahls von seinem anfänglichen Strahlungsstärkenniveau bis zu seinem höheren Strahlungsstärkenniveau hoch genug, um die Werkstücke aus Stahl zu verdampfen und ein Schlüsselloch direkt unter dem Laserstrahl innerhalb des Schmelzbads aus Stahlschmelze zu erzeugen.
Nachdem das Schmelzbad aus Stahlschmelze tief genug in den Werkstückstapel eingedrungen ist, um die Stoßschnittstelle(n) zu schneiden, wird die Übertragung des Laserstrahls am Schweißort beendet. Dies kann durchgeführt werden, ohne zunächst den aktuellen Status der abgebildeten Schnittfläche des Laserstrahls zu verändern, oder in anderen Fällen kann dies durchgeführt werden, nachdem die auf eine Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Laserstrahls erhöht wurde, um die Strahlungsstärke des Laserstrahls zu verringern. Nach dem Beenden des Übertragen des Laserstrahls kollabiert das Schlüsselloch (falls vorhanden) und das Schmelzbad aus Stahlschmelze kühlt sich ab und erstarrt zu einer Laserpunktschweißfügestelle, die aus wiedererstarrtem Verbundwerkstückmaterial besteht, das von jedem der Werkstücke aus Stahl stammt, in die das Schmelzbad eingedrungen ist. Das wiedererstarrte Verbundwerkstückmaterial verbindet auf autogene Weise die sich überlappenden Werkstücke aus Stahl am Schweißort durch Schmelzschweißen. Und im Gegensatz zu herkömmlichen Laserpunktschweißpraktiken enthält die Laserpunktschweißfügestelle, die in Übereinstimmung mit dem offenbarten Verfahren ausgebildet wird, Vorkehrungen mit Bezug auf die Mechanik des Laserstrahls, die dazu beitragen, dass verhindert wird, dass die Oberflächenbeschichtungen des einen oder der mehreren Werkstücke aus Stahl die Festigkeit der Laserpunktschweißfügestelle negativ beeinflussen. Die Fähigkeit zu verhindern, dass die Oberflächenbeschichtungen zu der Ausbildung von schwächenden Schweißdefekten innerhalb der Laserpunktschweißfügestelle beitragen, führt letztendlich zu festen und dauerhaften Schweißfügestellen, die in einer Fertigungsumgebung konsistent erhalten werden können.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung, bei welcher ein Laserstrahl als Teil eines Laserpunktschweißverfahrens, das eine Laserpunktschweißfügestelle innerhalb des Stapels erzeugt, auf eine obere Oberfläche eines Werkstückstapels auftrifft, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält;
2 ist eine schematische Ansicht des optischen Laserschweißkopfes und eines Teils des Werkstückstapels, die in 1 gezeigt sind;
3 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 1-2 gezeigten Werkstückstapels während eines Laserpunktschweißens, bei welchem der Laserstrahl ein anfängliches Strahlungsstärkenniveau auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform aufweist;
4 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 3 gezeigten Werkstückstapels während eines Laserpunktschweißens, bei welchem die Strahlungsstärke des Laserstrahls auf der oberen Oberfläche des Stapels von ihrem anfänglichen Niveau (2) auf ein höheres Niveau erhöht worden ist, und wobei das erhöhte Strahlungsstärkenniveau des Laserstrahls erreicht wird, in dem der Brennpunkt des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels bewegt wird;
5 ist eine Draufsicht auf die auf eine Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Laserstrahls, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls wie in 3 veranschaulicht positioniert wird;
6 ist eine Draufsicht auf die auf eine Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Laserstrahls, wenn der Brennpunkt des Laserstrahls wie in 4 veranschaulicht positioniert wird;
7 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 3 gezeigten Werkstückstapels, nachdem die Übertragung des Laserstrahls beendet wurde und eine Laserpunktschweißfügestelle zwischen den Werkstücken aus Stahl ausgebildet worden ist;
8 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 1 gezeigten Werkstückstapels während eines Laserpunktschweißens, bei dem der Laserstrahl ein anfängliches Strahlungsstärkenniveau auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform aufweist;
9 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 8 gezeigten Werkstückstapels während eines Laserpunktschweißens, bei welchem die Strahlungsstärke des Laserstrahls auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels von ihrem anfänglichen Niveau ( 8) auf ein höheres Niveau erhöht worden ist, und wobei das erhöhte Strahlungsstärkenniveau des Laserstrahls erreicht wird, indem der Einfallswinkel des Laserstrahls verringert wird, um die Exzentrizität der auf eine Ebene der oberen Oberfläche abgebildeten Schnittfläche des Laserstrahls zu reduzieren;
10 ist eine Draufsicht auf die auf eine Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Laserstrahls, wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls wie in 8 veranschaulicht eingestellt wird;
11 ist eine Draufsicht auf die auf eine Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Laserstrahls, wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls wie in 9 veranschaulicht eingestellt wird;
12 ist eine Ansicht im Querschnitt des Werkstückstapels während eines Laserpunktschweißens, bei welchem der Laserstrahl ein anfängliches Strahlungsstärkenniveau auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform aufweist, wobei die Ansicht in dieser Figur aus der gleichen Perspektive erfolgt, wie in 3 gezeigt ist, obwohl hier der Werkstückstapel drei Werkstücke aus Stahl enthält, die zwei Stoßschnittstellen herstellen, im Gegensatz zu zwei Werkstücken aus Stahl, die eine einzige Stoßschnittstelle herstellen;
13 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 12 gezeigten Werkstückstapels während eines Laserpunktschweißens, bei welchem die Strahlungsstärke des Laserstrahls auf der oberen Oberfläche des Stapels von ihrem Anfangsniveau (12) auf ein höheres Niveau erhöht worden ist; und
14 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des in 12 gezeigten Werkstückstapels, nachdem die Übertragung des Laserstrahls beendet worden ist und eine Laserpunktschweißfügestelle zwischen den Werkstücken aus Stahl ausgebildet worden ist.

Genaue Beschreibung
Das offenbarte Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Stahl besteht, erfordert das Erhöhen einer Strahlungsstärke eines Laserstrahls, der auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels an einem Schweißort gerichtet ist, während des Anwachsens eines erzeugten Schmelzbades aus Stahlschmelze. Jeder Typ von herkömmlicher Laserschweißvorrichtung kann verwendet werden, um den Laserstrahl zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels hin zu lenken und um die Strahlungsstärke des Laserstrahls zu erhöhen. Darüber hinaus kann der Strahlungsstärkenbereich des Laserstrahls gesteuert werden, um das Verfahren entweder im Konduktions-Schweißmodus oder im Schlüsselloch-Schweißmodus auszuführen. Folglich kann der Laserstrahl ein Halbleiterlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein, in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Werkstücke aus Stahl, die zusammengefügt werden, und von dem Laserschweißmodus, der praktiziert werden soll. Einige erwähnenswerte Halbleiterlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein Diodenlaser und ein Nd:YAG-Laser, und ein erwähnenswerter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO₂-Laser, obwohl andere Typen von Lasern selbstverständlich verwendet werden können, sofern sie in der Lage sind, das Schmelzbad aus Stahlschmelze zu erzeugen.
Das Laserpunktschweißverfahren kann an einer Vielfalt von Werkstückstapelkonfigurationen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das Verfahren in Verbindung mit einem „2T“-Werkstückstapel (3-4 und 7) verwendet werden, der zwei sich überlappende und benachbarte Werkstücke aus Stahl enthält, oder es kann in Verbindung mit einem „3T“-Werkstückstapel (12-14) verwendet werden, der drei sich überlappende und benachbarte Werkstücke aus Stahl enthält. Zudem können die mehreren Werkstücke aus Stahl, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, unterschiedliche Festlichkeiten und Grade aufweisen und sie können, wenn gewünscht, am Schweißort ähnliche oder unterschiedliche Dicken aufweisen. Das Laserpunktschweißverfahren wird auf im Wesentlichen die gleiche Weise ausgeführt, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, unabhängig davon, ob der Werkstückstapel zwei oder drei sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält. Alle Unterschiede der Werkstückstapelkonfigurationen können leicht ausgeglichen werden, indem die Eigenschaften des Laserstrahls justiert werden, wie zum Beispiel die Leistung des Laserstrahls, die Positionierung des Brennpunkts des Laserstrahl über den gesamten Punktschweißprozess hinweg, den Zeitbetrag, für den der Laserstrahl auf den Werkstückstapel am Schweißort gerichtet wird, oder eine Kombination dieser Eigenschaften.
Mit Bezug nun auf 1-7 ist ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels 10 gezeigt, bei welchem der Stapel 10 ein erstes Werkstück 12 aus Stahl und ein zweites Werkstück 14 aus Stahl enthält, die sich an einem Schweißort 16 überlappen, an dem ein Laserpunktschweißen unter Verwendung einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung 18 ausgeführt wird. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl stellen eine obere Oberfläche 20 bzw. eine untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 steht für die herkömmliche Laserschweißvorrichtung 18 zur Verfügung und ist für einen Laserstrahl 24 zugänglich, der aus der Laserschweißvorrichtung 18 entspringt. Und da nur ein einseitiger Zugang benötigt wird, um das herkömmliche Laserschweißen durchzuführen, besteht keine Notwendigkeit, die untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 für die Laserschweißvorrichtung 18 auf die gleiche Weise wie die obere Oberfläche 20 zugänglich zu machen. Obwohl der Einfachheit halber nur ein Schweißort 16 in den Figuren dargestellt ist, wird der Fachmann darüber hinaus feststellen, dass ein Laserschweißen in Übereinstimmung mit dem offenbarten Punktschweißverfahren an mehreren verschiedenen Schweißorten praktiziert werden kann, die über den gleichen Werkstückstapel hinweg verteilt sind.
Der Werkstückstapel 10 kann nur das erste und das zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl enthalten, wie in 1-4 gezeigt ist. Unter diesen Umständen und wie am besten in 3 gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Stahl eine äußere Außenoberfläche 26 und eine erste Stoßoberfläche 28, und das zweite Werkstück 14 aus Stahl enthält eine äußere Außenoberfläche 30 und eine zweite Stoßoberfläche 32. Die äußere Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl stellt die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bereit, und die äußere Außenoberfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Stahl stellt die entgegengesetzt gerichtete untere Oberfläche 22 des Stapels 10 bereit. Und da die zwei Werkstücke 12, 14 aus Stahl die einzigen Werkstücke sind, die in dem Werkstückstapel 10 vorhanden sind, überlappen sich die erste und zweite Stoßoberfläche 28, 32 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl und liegen einander gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 34 herzustellen, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstreckt. In anderen Ausführungsformen, von denen eine nachstehend in Verbindung mit 12-14 beschrieben wird, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches Werkstück aus Stahl enthalten, das zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl angeordnet ist, um den Stapel 10 mit drei Werkstücken aus Stahl anstelle von zwei bereitzustellen.
Der Begriff „Stoßschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung in weitem Sinn verwendet und er soll einen großen Bereich von Überlappungsbeziehungen zwischen den einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßoberflächen 28, 32 umfassen, dem die Praxis des Laserpunktschweißens Platz bieten kann. Zum Beispiel können die Stoßoberflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie in direktem oder indirektem Kontakt stehen. Die Stoßoberflächen 28, 32 stehen in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine separate dazwischen liegende Materialschicht oder durch Spalte getrennt sind, welche normale Montagetoleranzbereiche überschreiten. Die Stoßoberflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt, wenn sie durch eine separate dazwischenliegende Materialschicht getrennt sind - und daher den Typ einer Schnittstelle an Grenzen nicht zeigen, der einen direkten Kontakt typisiert - sich jedoch in einer Nähe befinden, die nahe genug ist, damit das Laserschweißen praktiziert werden kann. Als weiteres Beispiel können die Stoßoberflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie durch Spalte getrennt sind, die absichtlich eingeführt wurden. Diese Spalte können zwischen den Stoßoberflächen 28, 32 eingeführt werden, indem vorspringende Merkmale an einer oder beiden Stoßoberflächen 28, 32 durch Einritzen durch Laser, mechanisches Herstellen von Vertiefungen oder anderweitig erzeugt werden. Die vorspringenden Merkmale halten Kontaktpunkte mit Unterbrechungen zwischen den Stoßoberflächen 28, 32 aufrecht, welche die Stoßoberflächen 28, 32 außerhalb von und um die Kontaktpunkte herum um bis zu 1,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm voneinander beanstandet halten.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Stahl ein erstes Basissubstrat 36 aus Stahl und das zweite Werkstück 14 aus Stahl enthält ein zweites Basissubstrat 38 aus Stahl. Jedes der Basissubstrate 36, 38 aus Stahl kann beschichtet oder unbeschichtet (d.h. blank) sein und kann separat aus beliebigen einer großen Vielfalt von Stählen bestehen, die einen Stahl mit wenig Kohlenstoff (häufig auch als Mildstahl bezeichnet), einen Stahl ohne Zwischenräume (IF-Stahl), einen durch Brennen härtbaren Stahl, einen hochfesten Stahl mit geringer Legierung (HSLA-Stahl), einen Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einen Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einen Martensit-Stahl (MART-Stahl), einen Stahl mit umwandlungsbewirkter Plastizität (TRIP-Stahl), einen Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl), und einen druckgehärteten Stahl (PHS) umfasst. Darüber hinaus kann jedes der ersten und zweiten Basissubstrate 36, 38 aus Stahl behandelt worden seien, um einen speziellen Satz von mechanischen Eigenschaften zu erhalten, was umfasst, dass sie einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen werden, etwa Glühen, Abschrecken, und/oder Tempern. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl (beschichtet oder unbeschichtet) können auf ihre endgültige Dicke warm- oder kaltgewalzt sein und sie können so vorgefertigt sein, dass sie ein spezielles Profil aufweisen, das zum Einbau in den Werkstückstapel 10 geeignet ist.
Mindestens eines von dem ersten oder zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl - und vorzugsweise beide - enthalten eine Oberflächenbeschichtung 40, die das Basissubstrat 36, 38 aus Stahl überlagert. Wie in 3 gezeigt ist, sind sowohl das erste als auch das zweite Basissubstrat 36, 38 aus Stahl mit einer Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet, die wiederum die Werkstücke 12, 14 aus Stahl mit ihren jeweiligen äußeren Außenoberflächen 26, 30 und ihren jeweiligen Stoßoberflächen 28, 32 versieht. Die auf eines oder beide der Basissubstrate 36, 38 aus Stahl aufgebrachte Oberflächenbeschichtung 40 ist vorzugsweise ein zinkbasiertes Material oder ein aluminiumbasiertes Material. Einige Beispiele für ein zinkbasiertes Material umfassen Zink oder eine Zinklegierung. Einige Beispiele für ein aluminiumbasiertes Material umfassen elementares Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung und eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Eine Beschichtung aus einem zinkbasierten Material kann durch Feuerverzinken, Elektrogalvanisieren oder Galvannealing typischerweise mit einer Dicke von 2 µm bis 16 µm aufgebracht werden, und eine Beschichtung aus einem aluminiumbasierten Material kann durch Tauchbeschichtung typischerweise mit einer Dicke von 2 µm bis 10 µm aufgebracht werden, obwohl andere Beschichtungsverfahren und -dicken der erzielten Beschichtungen verwendet werden können. Wenn man die Dicke der Basissubstrate 36, 38 aus Stahl und deren optionale Oberflächenbeschichtungen 40 berücksichtigt, weisen das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl Dicken 120, 140 auf, die vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 4,0 mm und enger gefasst von 0,5 mm bis 2,0 mm liegen, zumindest am Schweißort 16. Die Dicken 120, 140 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl können gleich oder voneinander verschieden sein.
Mit Bezug nun auf 1-2 enthält die herkömmliche Laserschweißvorrichtung 18 einen optischen Laserkopf 42 und einen Roboter 44, der den optischen Laserschweißkopf 42 trägt. Der optische Laserschweißkopf 42, welcher mit einem Strahlgenerator 46 durch ein Glasfaserkabel 48 gekoppelt ist, fokussiert und lenkt den Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10, welche in dieser Ausführungsform die äußere Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl ist. Der von dem optischen Laserschweißkopf 42 übertragene Laserstrahl 24 ist vorzugsweise ein Halbleiterlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich (700 nm bis 1400 nm) des elektromagnetischen Spektrums arbeitet und zum Liefern von Leistung mit einem Niveau von 0,3 kW bis 50 kW in der Lage ist. Einige Beispiele für geeignete Halbleiterlaserstrahlen umfassen einen Faserlaserstrahl, einen Scheibenlaserstrahl und einen Direktdioden-Laserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei welchem das Laserverstärkungsmedium eine Glasfaser ist, die mit einem Selten-Erden-Element dotiert ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, usw.). Ein bevorzugter Scheibenlaser ist ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei welchem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Selten-Erden-Element dotiert ist (z.B. ein ytterbiumdotierter Ytterbium-Aluminium-Granatkristall (Yb:YAG)), der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet und an einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter Direktdioden-Laser ist ein kombinierter Laserstrahl (z.B. wellenlängenkombiniert), der aus mehreren Dioden hergeleitet ist, in denen die Verstärkungsmedien Halbleiter sind, etwa diejenigen, die auf Aluminium-Gallium-Arsenit (AlGaAs) oder Indium-Gallium-Arsenit (InGaAs) beruhen.
Der optische Laserschweißkopf 42 enthält einen Körper 50, der eine Kollimatorlinse 52 und eine Fokussierungslinse 54 beherbergt, wie in 2 gezeigt ist. Ein Ende 56 des Glasfaserkabels 48 ist in dem Körper 50 aufgenommen und liefert einen divergierenden konischen Laserstrahl 58, der in dem Laserstrahlgenerator 46 entsteht, bei dem das/die Verstärkungsmedien zusammen mit anderen zugehörigen Laserkomponenten vorhanden ist/sind. Der divergierende konische Laserstrahl 58 geht durch die Kollimatorlinse 52 hindurch, um den divergierenden Strahl 58 in einen kollimierten Laserstrahl 60 mit konstantem Strahldurchmesser zu transformieren. Die Kollimatorlinse 52 kann eine gekrümmte Linse sein, etwa eine parabolische oder eine sphärische Linse. Als nächstes geht der kollimierte Laserstrahl 60 durch die Fokussierungslinse 54 hindurch, welche gekrümmt wie die Kollimatorlinse 52 sein kann, um den kollimierten Laserstrahl 60 zu dem Laserstrahl 24 zu fokussieren, der aus dem optischen Laserschweißkopf 42 austritt und auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft. Die Fokussierungslinse 54 konvergiert den Laserstrahl 24 auf einen Brennpunkt 62, der vorzugsweise einen Durchmesser, der von 0,1 mm bis 8 mm reicht, und eine Brennweite 64 aufweist, die von 50 mm bis 350 mm reicht. Wie hier in 1 gezeigt ist, ist die Brennweite 64 des Laserstrahls 24 die Distanz zwischen der äußeren Austrittsoberfläche der Fokussierungslinse 54 und dem Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24.
Der Laserstrahl 24 verlässt die Fokussierungslinse 54 und den optischen Laserschweißkopf 42 und breitet sich vorwärts entlang einer Strahlenlängsachse 66 aus, die koaxial mit einer Achse 68 der Fokussierungslinse 54 ist. Wenn der optische Laserschweißkopf 42 in Betrieb ist und der Laserstrahl 24 auf den Werkstückstapel 10 gerichtet ist, kann eine Kühlungsfunktionalität, die in dem Schweißkopf 42 installiert ist, initiiert werden, um zum Sicherstellen beizutragen, dass sich die Kollimatorlinse 52 und die Fokussierungslinse 54 nicht überhitzen. Der optische Laserschweißkopf 42 kann außerdem (nicht gezeigte) visuelle Überwachungsgeräte enthalten, die eine Sichtlinie entlang der Achse 68 der Fokussierungslinse 54 sowie andere zugehörige Komponenten und Geräte aufweisen. Der optische Laserschweißkopf 42, der in 1-2 schematisch gezeigt und vorstehend beschrieben ist, sowie andere nicht speziell erwähnte Konstruktionsvariationen sind aus einer Vielfalt von Quellen käuflich verfügbar. Einige erwähnenswerte Lieferanten von optischen Laserköpfen und zugehörigen Lasersystemgeräten zur Verwendung mit der herkömmlichen Laserschweißvorrichtung 18 umfassen HIGHYAG (Kleinmachnow, Deutschland) und TRUMPF Inc. (Connecticut, USA).
Der Roboter 44 kann betrieben werden, um den optischen Laserschweißkopf 42 innerhalb des dreidimensionalen Raums über der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 zu bewegen, um den optischen Laserschweißkopf 42 nach Bedarf zu positionieren, um den Laserstrahl auf den Schweißort 16 zu richten. Im Speziellen enthält der Roboter 44 einen Roboterarm 70 und eine Basis 72. Ein Ende 74 des Roboterarms 70 ist mit der Basis 72 verbunden, und ein entgegengesetztes freies Ende des Arms 70 enthält ein Montagemerkmal 78, das mit dem optischen Laserschweißkopf 42 verbunden ist und diesen trägt. Die Basis 72 und der Roboterarm 70 sind mit Dreh-, Schwenk-, Scharnier- und/oder anderen Typen von Gelenken konstruiert, die eine präzise und programmierbare Bewegung des optischen Laserschweißkopfes 42 in drei Dimensionen relativ zu dem Werkstückstapel 10 mithilfe von computerimplementierten Steuerungssystemen ermöglichen. Wie es hier auf das offenbarte Laserpunktschweißverfahren angewendet werden kann und wie nachstehend weiter beschrieben wird, ist der Roboter 44 in der Lage, den optischen Laserschweißkopf 42 zu bewegen, um (1) die Distanz zwischen dem Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 und der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 einzustellen und (2) um den Einfallswinkel des Laserstrahls 24 relativ zum Werkstückstapel 10 einzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Laserpunktschweißverfahrens wird die herkömmliche Laserschweißvorrichtung 18, wie in 1-7 veranschaulicht ist, verwendet, um eine Laserpunktschweißfügestelle 80 (7) zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl auszubilden. Zu Beginn und nun mit Bezug auf 1-4 positioniert der Roboter 44 den optischen Laserschweißkopf 42 über der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 in der Nähe des Schweißorts 16. Nach dem Anordnen wird der Laserstrahl 24 unter einem Einfallswinkel 82 am Schweißort 16 auf die obere Oberfläche gelenkt und trifft darauf auf. Der Einfallswinkel 82 ist der Winkel, um den die Strahlenlängsachse 66 des Laserstrahls 24 von einer linearen Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche 20 am Schweißort 16 abweicht. Typischerweise kann der Einfallswinkel 82 in einem Bereich von 0° (d.h. die Strahlenlängsachse 66 des Laserstrahls 24 ist rechtwinklig zu der oberen Oberfläche 20) bis 45° in jede Richtung zur Senkrechten liegen, und er kann erreicht werden, indem der Roboter 44 gesteuert oder angewiesen wird, die Achse 68 der Fokussierungslinse 54 in der gleichen Winkelausrichtung mit der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 zu orientieren, vorausgesetzt, dass die Achse 68 der Fokussierungslinse 54 koaxial mit der Strahlenlängsachse 66 des Laserstrahls 24 ist. In der Ausführungsform, die hier in 2-4 dargestellt ist, beträgt der Einfallswinkel 82 0°.
Der Laserstrahl 24 weist eine Strahlungsstärke - auch als Intensität oder Leistungsdichte bekannt - auf, die bestimmt wird, indem die Leistung des Laserstrahls 24 durch die auf eine Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahl 24 (5-6) dividiert wird. Wenn der Laserstrahl 24 zum ersten Mal auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft, weist seine Strahlungsstärke ein anfängliches Niveau auf, das ausreicht, um ein Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze zu erzeugen, das in den Stapel 10 eindringt, wie in 3 und 5 gezeigt ist. Das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze kann teilweise in das erste Werkstück 12 aus Stahl eindringen und schneidet folglich nicht die Stoßschnittstelle 34, wenn die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 auf ihrem anfänglichen Niveau ist, oder es kann die Stoßschnittstelle 34 schneiden und in das zweite Werkstück 14 aus Stahl eindringen. Das Anfangsniveau der Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 kann beruhend auf den Zusammensetzungen und den Dicken 120, 140 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl variieren, aber es liegt in vielen Fällen in einem Bereich von 500 W/cm² bis 1,0 × 10⁶ W/cm², oder enger gefasst von 1,0 × 10³ W/cm² bis 1,0 × 10⁶ W/cm².
Das Herstellen des anfänglichen Strahlungsstärkeniveaus des Laserstrahls 24 kann erreicht werden, indem das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 und das Positionieren des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 koordiniert werden. Im Speziellen wird in dieser Ausführungsform das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 auf einen Wert zwischen 0, 5 KW und 50 KW oder enger gefasst zwischen 2,0 KW und 6,0 KW eingestellt, und der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 wird relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bei einer Distanz 92 positioniert, die entlang der Strahlenlängsachse 66 in einem Bereich zwischen -300 mm und 300 mm oder enger gefasst zwischen -60 mm und 60 mm liegt. Hier ist in 3 der Brennpunkt 62 über der oberen Oberfläche 20 positioniert und die Distanz 92 ist folglich ein positiver Wert. Selbstverständlich kann der Brennpunkt 62 unter der oberen Oberfläche 20 positioniert werden und sogar unter der unteren Oberfläche 22, wobei in diesem Fall die Distanz 92 ein negativer Wert wäre. Da der Einfallswinkel 82 des Laserstrahls 24 in dieser Ausführungsform 0° beträgt, ist die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 zudem kreisförmige Natur, wie in 5 gezeigt ist. Das Bewegen des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24 zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 hin oder davon weg weist folglich den Effekt auf, dass die Fläche des Kreises, der die abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 bildet, jeweils verringert oder vergrößert wird.
Nachdem das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze erzeugt wurde, wird die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 auf ein höheres Niveau erhöht, um das Schmelzbad 90 anwachsen zu lassen und zu veranlassen, dass es in den Werkstückstapel 10 weiter in Richtung auf die untere Oberfläche 22 eindringt, wie in 4 und 6 gezeigt ist. Dies umfasst ein Reduzieren der auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildeten Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 durch Bewegen des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24 vorwärts (wenn die Distanz 92 positiv ist) entlang der Strahlenlängsachse 66 in die Ausbreitungsrichtung zu der oberen Oberfläche 20 hin, oder rückwärts (wenn die Distanz 92 negativ ist) entlang der Strahlenlängsachse 66 entgegengesetzt zu der Ausbreitungsrichtung. Das höhere Strahlungsstärkenniveau des Laserstrahls 24 stellt sicher, dass das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze weit genug in den Werkstückstapel 10 eindringt, dass es die Stoßschnittstelle 34 schneidet. Das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze kann beispielsweise in das zweite Werkstück 14 aus Stahl bis zu einer Tiefe zwischen seiner Stoßoberfläche 32 und seiner äußeren Außenoberfläche 30 eindringen. In anderen Fällen dringt das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze vollständig durch das zweite Werkstück 14 aus Stahl hindurch, sodass das Schmelzbad 90 die untere Oberfläche 22 (auch die Oberfläche 30) des Werkstückstapels 10 durchbricht.
Der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 kann entlang seiner Strahlenlängsachse 66 vorwärts oder rückwärts bewegt werden, um die Distanz 92 zwischen dem Brennpunkt 62 und der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auf einen Wert zwischen -280 mm und 280 mm oder enger gefasst zwischen -50 mm und 50 mm zu verkürzen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 vorzugsweise konstant gehalten. Alternativ kann das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 während der Bewegung des Brennpunkts 62 erhöht werden, um die Strahlungsstärkenverstärkung zu vergrößern. Des Weiteren kann das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 während einer Bewegung des Brennpunkts 62 sogar verringert werden, solange die Verringerung des Leistungsniveaus die Strahlungsstärkenverstärkung, die durch die Bewegung des Brennpunkts 62 erreicht wird, nicht vollständig zunichtemacht. Obwohl das höhere Niveau der Strahlungsstärke auf der Grundlage der Zusammensetzungen und der Dicken des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl - ähnlich wie das anfängliche Strahlungsstärkeniveau - variieren kann, liegt das höhere Strahlungsstärkeniveau des Laserstrahls 24 für gewöhnlich in einem Bereich von 1000 W/cm² bis 1,0 × 10⁹ W/cm² oder enger gefasst von 1,0 × 10³ W/cm² bis 1,0 × 10⁸ W/cm².
Das Wachstum des Schmelzbades 90 aus Stahlschmelze während des Anstiegs des Strahlungsstärkeniveaus des Laserstrahls 24 kann ausgeführt werden, mit oder ohne dass ein Schlüsselloch innerhalb des Schmelzbads 90 erzeugt wird. Wenn beispielsweise, wie in 4 gezeigt ist, die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 an einem beliebigen Punkt zwischen ihrem Anfangsniveau und ihrem höheren Niveau groß genug ist, um die Werkstücke 12, 14 aus Stahl zu verdampfen, dann wird ein Schlüsselloch 94 direkt unter dem Laserstrahl 24 innerhalb des Schmelzbads 90 aus Stahlschmelze erzeugt. Das Schlüsselloch 94 ist eine Säule aus verdampftem Stahl, die ein tiefes und schmales Eindringen des Schmelzbades 90 aus Stahlschmelze ermöglicht. In der Tat ist, wenn das Schlüsselloch 94 vorhanden ist, die Breite des Schmelzbads 90 aus Stahlschmelze an der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 typischerweise geringer als die Distanz, um welche das Schmelzbad 90 in den Stapel 10 eindringt. Wenn alternativ die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 zwischen ihrem Anfangsniveau und ihrem höheren Niveau nicht groß genug ist, um die Werkstücke 12, 14 aus Stahl zu verdampfen, dann wird das Schlüsselloch 94 nicht erzeugt werden. Unter diesen Umständen wird Hitze von dem Laserstrahl 24 durch Konduktion verbreitet, was typischerweise dazu führt, dass die Breite des Schmelzbads 90 an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels 10 größer als die Distanz ist, um welche das Schmelzbad 90 in den Stapel 10 eindringt. Obwohl die zum Erzeugen des Schlüssellochs 94 benötigte exakte Strahlungsstärke auf der Grundlage des Aufbaus des Werkstückstapels 10 variieren kann, wird das Schlüsselloch 94 im allgemeinen erzeugt, wenn die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 auf der Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 1,0 × 10⁶ W/cm² in den Schatten stellt bzw. überschreitet.
Sobald das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze vollständig angewachsen ist und in den Werkstückstapel 10 wie gewünscht eingedrungen ist, wird das Übertragen des Laserstrahls 24 am Schweißort 16 beendet, wie in 7 gezeigt ist. Die Übertragung des Laserstrahls 24 kann beendet werden, ohne dass zuerst die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 verändert wird; d.h., dass die abgebildete Schnittfläche 86, die erreicht wird, wenn der Laserstrahl 24 sein höheres Strahlungsstärkenniveau erreicht hat, so lange beibehalten wird, bis die Übertragung des Laserstrahls 24 beendet wird. Eine derartige Praxis kann beispielsweise ausgeführt werden, wenn der Werkstückstapel 10 ein 2T-Stapel ist. In einer anderen Ausführungsform kann direkt vor dem Anhalten der Übertragung des Laserstrahls 24 die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 vergrößert werden, um die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 zu verringern. Dies kann bewerkstelligt werden, indem der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 entlang der Längsachse 66 vorwärts (wenn die Distanz 92 negativ ist) oder rückwärts (wenn die Distanz 92 positiv ist) bewegt wird, um die Distanz 92 zwischen dem Brennpunkt 62 und der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 zu verlängern. Dadurch wird die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 vorzugsweise auf einen Wert verringert, der irgendwo zwischen ihrem höheren Strahlungsstärkeniveau und ihrem anfänglichen Strahlungsstärkeniveau liegt, bevor die Übertragung des Laserstrahls 24 beendet wird. Die Praxis des Vergrößerns der abgebildeten Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 kann beispielsweise ausgeführt werden, wenn der Werkstückstapel 10 ein 3T-Stapel ist oder wenn der Werkstückstapel ein 2T-Stapel mit einer Gesamtdicke ist, die größer als 2 mm ist.
Wenn die Übertragung des Laserstrahls 24 beendet wird, kollabiert das Schlüsselloch 94, falls vorhanden, und das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze kühlt sich ab und erstarrt zu der Laserpunktschweißfügestelle 80, die aus wiedererstarrtem Verbundstahlmaterial besteht, das von jedem der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl stammt. Das wiedererstarrte Verbundstahlmaterial der Laserpunktschweißfügestelle 80 schneidet die Stoßschnittstelle 34 der zwei sich überlappenden Werkstücke 12, 14 aus Stahl und verbindet die Werkstücke 12, 14 am Schweißort 16 miteinander auf autogene Weise durch Schmelzschweißen. Darüber hinaus ist die Laserpunktschweißfügestelle 80 weniger anfällig für ein ungünstiges Beeinflussen durch die Oberflächenbeschichtung 40, die in einem oder beiden Werkstücken 12, 14 aus Stahl enthalten ist, aufgrund des Anstiegs der Strahlungsstärke des Laserstrahls 24, welcher während des offenbarten Laserpunktschweißverfahrens austritt. In der Tat wird vermutet, dass das Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 von dem Anfangsniveau auf das höhere Niveau, während die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 verringert wird, eine gute Festigkeit in der Schweißfügestelle 80 fördert.
Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, vermutet man, dass das Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 zum Aufbrechen der Oberflächenbeschichtung 40, welche in mindestens einem des ersten oder zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl enthalten ist, beiträgt, sodass von den Beschichtungen 40 weniger Schweißdefekte herrühren. Wenn beispielsweise eines oder beide Werkstücke 12, 14 aus Stahl eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung enthält/enthalten, kann das anfängliche niedrige Strahlungsstärkeniveau des Laserstrahls 24 das Zink zu einem frühen Zeitpunkt in dem Laserpunktschweißprozess verbrennen und/oder es zu Zinkoxiden mit hoher Schmelztemperatur oxidieren, wodurch die Zinkmenge begrenzt wird, die verdampfen und in das Schmelzbad 90 mitgenommen werden kann. Da darüber hinaus den Problemen mit Bezug auf Zinkdämpfe effektiv beigekommen werden kann, indem die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 justiert wird, besteht kein Bedarf zum Erzeugen der vorstehenden Merkmale (durch Einritzen durch Laser, mechanisches Ausbilden von Vertiefungen usw.) an einer der Stoßoberflächen 28, 32 der Werkstücke 12, 14 aus Stahl, um eine gute Festigkeit in der Laserpunktschweißfügestelle 80 zu erhalten. Wenn analog eines oder beide Werkstücke 12, 14 aus Stahl eine aluminiumbasierte Oberflächenbeschichtung enthält/enthalten, kann das anfängliche niedrige Strahlungsstärkeniveau die aluminiumbasierten Oberflächenbeschichtungen zu einem frühen Zeitpunkt in dem Laserpunktschweißprozess schmelzen oder aufbrechen, was zu einer geringeren Kontaminierung mit Aluminium oder mit einer Aluminiumlegierung im Schmelzbad 90 führen kann.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform bildet einen Weg zum Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahls 24, indem die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 verringert wird. Es gibt selbstverständlich andere Wege zum Erreichen des gleichen Ziels. Eine derartige alternative Ausführungsform ist in 8-11 schematisch veranschaulicht. Da die vorstehende Erörterung des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl und der herkömmlichen Laserschweißvorrichtung 18 hier gleichermaßen zutreffen und nicht wiederholt werden müssen, ist die folgende Erörterung nur auf den Laserstrahl 24 fokussiert und darauf, wie er zu dem Werkstückstapel 10 während der Ausbildung der Schweißfügestelle 80 in Beziehung steht. Um sicher zu sein, kann die Bewegung des Laserstrahls 24, die in 8-11 im Detail dargestellt ist und in dem folgenden Text beschrieben wird, wie zuvor erreicht werden, indem der optische Laserschweißkopf 42 in dem Raum über der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bewegt wird.
In der alternativen Ausführungsform des offenbarten Laserpunktschweißverfahrens wird die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 erhöht, indem der Einfallswinkel 82 des Laserstrahls 24 verstellt wird. Speziell wird, wenn der Laserstrahl 24 zunächst auf den Schweißort 16 gerichtet wird, das anfängliche Strahlungsstärkeniveau des Laserstrahls 24 hergestellt, indem der Einfallswinkel 82 des Laserstrahls 24 auf irgendeinen Wert zwischen 1° und 45° oder enger gefasst auf einen Wert zwischen 2° und 20° eingestellt wird, wie in 8 und 10 gezeigt ist. Gleichzeitig kann der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 in einer Distanz 92 positioniert werden, die in einem Bereich zwischen -300 mm und 300 mm oder enger gefasst zwischen -60 mm und 60 mm entlang der Strahlenlängsachse 66 liegt. Das Anwinkeln der Strahlenlängsachse 66 des Laserstrahls 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 macht die abgebildete Schnittfläche 86 elliptisch. Folglich weist die abgebildete Schnittfläche 86 einen Hauptdurchmesser 96 und einen Nebendurchmesser 98 auf (10), die rechtwinklig zueinander sind und sich in einem Mittelpunkt der elliptischen Schnittfläche 86 schneiden. Und da die abgebildete Schnittfläche 86 zu diesem Zeitpunkt elliptisch ist, weist sie eine Exzentrizität (ε) auf, die darstellt, wie stark die elliptische Gestalt von einem Kreis abgewichen ist. Im Speziellen reicht die Exzentrizität einer Ellipse von 0 (Kreis) bis zu einem Wert zwischen 0 und 1, wobei eine Zunahme des Verhältnisses des Hauptdurchmessers 96 zu dem Nebendurchmesser 98 zu einer Zunahme der Exzentrizität führt und umgekehrt.
Nachdem der Laserstrahl 24 mit seinem anfänglichen Strahlungsstärkenniveau auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 gerichtet worden ist und ein Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze erzeugt worden ist, wird die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 auf ihr höheres Niveau erhöht, um das Schmelzbad 90 anwachsen zu lassen und zu veranlassen, dass es wie zuvor weiter in den Werkstückstapel 10 zu der unteren Oberfläche 22 hin eindringt. Mit Bezug auf 9 und 11 wird die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 erhöht, indem der Einfallswinkel 82 des Laserstrahls 24 verringert wird, was wiederum die Exzentrizität der auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 abgebildeten Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 verringert, d.h. die Strahlenlängsachse 66 des Laserstrahls 24 wird in eine vertikalere Position gebracht, um das Verhältnis des Hauptdurchmessers 96 zu dem Nebendurchmesser 98 der elliptisch geformten abgebildeten Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 zu verringern, wodurch die abgebildete Schnittfläche 86 weniger elliptisch und kreisförmiger gemacht wird. Der Einfallswinkel 82 des Laserstrahls 24 kann auf einen beliebigen Wert zwischen 0° und 30° oder enger gefasst zwischen 0° und 20° gesetzt werden, um das höhere Strahlungsstärkeniveau des Laserstrahls 24 herzustellen.
Um darüber hinaus die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 während der Realisierung des höheren Strahlungsstärkenniveaus weiter zu verringern, kann der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 bewegt werden, um die Distanz 92 zwischen dem Brennpunkt 62 und der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 zu verkürzen, wie vorstehend beschrieben wurde. D.h., dass der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 entlang seiner Strahlenlängsachse 66 in die Ausbreitungsrichtung vorwärts (wenn die Distanz 92 positiv ist), oder entlang der Strahlenlängsachse 66 rückwärts (wenn die Distanz 92 negativ ist) entgegengesetzt zu der Ausbreitungsrichtung bewegt werden kann. Zum Beispiel kann die Distanz 92 auf einen Wert zwischen -280 mm und 280 mm oder enger gefasst zwischen -50 mm und 50 mm verkürzt werden, entweder bevor oder während oder nachdem der Einfallswinkel 82 des Laserstrahls 24 verringert wird. Selbstverständlich kann wie zuvor das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 während der Verringerung des Einfallswinkels 82 des Laserstrahls 24 und der optionalen Bewegung des Brennpunkts 62 konstant gehalten werden, oder es kann erhöht oder verringert werden (solange die Verringerung des Leistungsniveaus die Strahlungsstärkenverstärkung, die durch die Verringerung des Einfallswinkels 82 und die optionale Bewegung des Brennpunkts 62 erreicht wird, nicht vollständig zunichtemacht).
Nachdem das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze vollständig angewachsen ist und in den Werkstückstapel 10 wie gewünscht eindringt, wird die Übertragung des Laserstrahls 24 am Schweißort 16 allgemein auf die gleiche Weise beendet, wie es vorstehend mit Hinblick auf 7 offenbart ist. Zur Wiederholung kann die Übertragung des Laserstrahls 24 beendet werden, ohne zuvor die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 zu verändern oder alternativ kann die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 vergrößert werden, um die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 zu verringern. Hier in dieser Ausführungsform kann das Vergrößern der abgebildeten Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 bewerkstelligt werden, indem der Einfallswinkel 82 des Laserstrahls 24 erhöht wird, was wiederum die Exzentrizität der auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 abgebildeten Schnittfläche 86 des Laserstrahl 24 erhöht. Wenn eine derartige Technik praktiziert wird, wird die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 wie zuvor vorzugsweise auf einen Wert irgendwo zwischen ihrem höheren Strahlungsstärkeniveau und ihrem anfänglichen Strahlungsstärkenniveau verringert, bevor die Übertragung des Laserstrahls 24 beendet wird.
1-11 veranschaulichen die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen im Kontext des Werkstückstapels 10, der ein „2T“-Stapel ist, der nur das erste und das zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl mit einer einzigen Stoßschnittstelle 34 enthält. Die gleichen Ausführungsformen des offenbarten Laserpunktschweißverfahrens können jedoch auch ausgeführt werden, wenn der Werkstückstapel 10 ein „3T“-Stapel ist, der ein zusätzliches drittes Werkstück 100 aus Stahl enthält, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl gelegen ist und sich mit diesen überlappt, wie in 12-14 dargestellt ist. In der Tat muss das Laserpunktschweißverfahren unabhängig davon, ob der Werkstückstapel 10 ein 2T- oder 3T-Stapel ist, nicht sehr stark modifiziert werden, um die Laserpunktschweißfügestelle 80 auszubilden. Und in jedem Fall kann die Laserpunktschweißfügestelle 80 Eigenschaften mit einer guten Qualität der Festigkeit trotz der Tatsache erreichen, dass mindestens eines und manchmal alle Werkstücke aus Stahl eine Oberflächenbeschichtung 40 enthalten, die ein zinkbasiertes Material oder ein aluminiumbasiertes Material umfasst.
Mit Bezug nun auf 12-13 enthält das zusätzliche dritte Werkstück 100 aus Stahl, falls vorhanden, ein drittes Basissubstrat 102 aus Stahl, dass blank oder mit der gleichen Oberflächenbeschichtung 40, die vorstehend beschrieben ist, beschichtet sein kann. Wenn der Werkstückstapel 10 das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 14, 100 aus Stahl, die sich überlappen, enthält, enthält das Basissubstrat 36, 38, 102 aus Stahl von mindestens einem der Werkstücke 12, 14, 100 und vorzugsweise von allen die Oberflächenbeschichtung 40. Bezüglich der Eigenschaften (z. B. Zusammensetzung, Dicke usw.) des dritten Basissubstrats 102 aus Stahl sind die vorstehenden Beschreibungen hinsichtlich des ersten und zweiten Basissubstrats 36, 38 aus Stahl auf dieses Substrat 102 ebenfalls gleichermaßen anwendbar. Dennoch soll erwähnt werden, dass, obwohl die gleichen allgemeinen Beschreibungen auf die mehreren Werkstücke 12, 14, 100 aus Stahl zutreffen, es nicht erforderlich ist, dass die Werkstücke 12, 14, 100 aus Stahl zueinander identisch sind. In vielen Fällen unterscheiden sich das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 14, 100 aus Stahl in irgendeinem Aspekt voneinander, sei es die Zusammensetzung, die Dicke und/oder die Form.
Als Folge des Stapelns des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 14, 100 aus Stahl auf eine sich überlappende Weise, um den Werkstückstapel 10 bereitzustellen, weist das dritte Werkstück 92 aus Stahl zwei Stoßoberflächen 104, 106 auf. Eine der Stoßoberflächen 104 überlappt sich mit der ersten Stoßoberfläche 28 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl und liegt dieser gegenüber, und die andere Stoßoberfläche 106 überlappt sich mit der zweiten Stoßoberfläche 32 des zweiten Werkstücks 14 aus Stahl und liegt dieser gegenüber, wodurch zwei Stoßschnittstellen 108, 110 innerhalb des Werkstückstapels 10 hergestellt werden, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstrecken. Diese Stoßschnittstellen 108, 110 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die bereits mit Hinblick auf 3-4 beschrieben wurde. Folglich weisen in dieser Ausführungsform wie hier beschrieben die Außenoberflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl immer noch voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und bilden die obere und untere Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10.
Das Ausbilden des Schmelzbads 90 aus Stahlschmelze und optional das Erzeugen des Schlüssellochs 94 innerhalb des Schmelzbads 90 wird ausgeführt, wenn der Werkstückstapel 10 das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 14, 100 aus Stahl enthält, indem der Laserstrahl 24 auf den Werkstückstapel 10 derart gelenkt wird, dass er an dem Schweißort 16 auf die obere Oberfläche 20 auftrifft, wie in 12 gezeigt ist. Die Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 auf der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 wird dann von einem anfänglichen Niveau auf ein höheres Niveau erhöht, indem die auf die Ebene 88 der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 abgebildete Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 wie vorstehend beschrieben verringert wird, wie in 13 gezeigt ist. Dies kann das Bewegen des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 umfassen, um die Distanz 92 zwischen dem Brennpunkt 62 und der oberen Oberfläche 20 zu verkürzen und/oder das Verringern des Einfallswinkels 82 des Laserstrahls 24, um die Exzentrizität der elliptischen Natur der abgebildeten Schnittfläche 86 des Laserstrahls 24 zu verringern. Nachdem die Zunahme bei der Strahlungsstärke des Laserstrahls 24 das Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze auf die gewünschte Größe und die gewünschte Eindringtiefe anwachsen hat lassen, wird das Übertragen des Laserstrahls am Schweißort 16 beendet, und die Laserpunktschweißfügestelle 80 wird aus dem Schmelzbad 90 aus Stahlschmelze erhalten, wie in 14 gezeigt ist.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und speziellen Beispielen dient lediglich der Beschreibung; sie ist nicht zum Begrenzen des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche gedacht. Jedem der Begriffe, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, soll seine gewöhnliche und geläufige Bedeutung verliehen werden, sofern es nicht in der Beschreibung speziell und eindeutig anderweitig angegeben ist.

Claims

Verfahren zum Laserpunktschweißen von sich überlappenden Werkstücken aus Stahl, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Stahl und ein zweites Werkstück aus Stahl umfasst, wobei das erste Werkstück aus Stahl eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Stahl eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Stahl innerhalb des Werkstückstapels hergestellt wird, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel eine Oberflächenbeschichtung enthält, die aus einem zinkbasierten Material oder einem aluminiumbasierten Material besteht; ein Laserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird, wobei der Laserstrahl auf die obere Oberfläche über eine auf eine Ebene der oberen Oberfläche abgebildete Schnittfläche auftrifft und ein Schmelzbad aus Stahlschmelze erzeugt, das von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin in den Werkstückstapel eindringt; eine Strahlungsstärke des Laserstrahls auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels von einem anfänglichen Niveau auf ein höheres Niveau erhöht wird, indem die auf die Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Laserstrahls verringert wird, wobei die Erhöhung der Strahlungsstärke von dem anfänglichen Niveau auf das höhere Niveau bewirkt, dass das Schmelzbad aus Stahlschmelze anwächst und zu der unteren Oberfläche hin weiter in den Werkstückstapel hinein eindringt; und die Übertragung des Laserstrahls beendet wird, um zu ermöglichen, dass das Schmelzbad aus Stahlschmelze zu einer Laserpunktschweißfügestelle erstarrt, die aus wiedererstarrtem Verbundstahlmaterial besteht, das von jedem der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel stammt, wobei das wiedererstarrte Verbundstahlmaterial der Laserpunktschweißfügestelle jede der Stoßschnittstellen innerhalb des Werkstückstapels schneidet, um die Werkstücke aus Stahl miteinander durch Schmelzschweißen zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Stahl eine äußere Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Stahl eine äußere Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die äußere Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Stahl die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die äußere Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Stahl die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei die erste und zweite Stoßoberfläche des ersten und des zweiten Werkstücks aus Stahl einander überlappen und einander gegenüber liegen, um eine Stoßschnittstelle herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Stahl eine äußere Außenoberfläche und eine erste Stoßoberfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Stahl eine äußere Außenoberfläche und eine zweite Stoßoberfläche aufweist, wobei die äußere Außenoberfläche des ersten Werkstücks aus Stahl die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die äußere Außenoberfläche des zweiten Werkstücks aus Stahl die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein zusätzliches drittes Werkstück aus Stahl umfasst, das zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück aus Stahl angeordnet ist, wobei das dritte Werkstück aus Stahl zueinander entgegengesetzte Stoßoberflächen aufweist, von denen sich eine mit der ersten Stoßoberfläche des ersten Werkstücks aus Stahl überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle herzustellen, und sich die andere mit der zweiten Stoßoberfläche des zweiten Werkstücks aus Stahl überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel eine Oberflächenbeschichtung enthält, die aus einem zinkbasierten Material oder einem aluminiumbasierten Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Schlüsselloch innerhalb des Schmelzbads aus Stahlschmelze erzeugt wird, wenn die Strahlungsstärke des Laserstrahls von dem anfänglichen Niveau auf das höhere Niveau erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das anfängliche Strahlungsstärkenniveau des Laserstrahls in einem Bereich von 500 W/cm² bis 1,0 × 10⁶ W/cm² liegt, und wobei das höhere Strahlungsstärkeniveau des Laserstrahls in einem Bereich von 1000 W/cm² bis 1,0 × 10⁹ W/cm² liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der Laserstrahl zu der oberen Oberfläche hin entlang einer Strahlenlängsachse ausbreitet und ferner einen Brennpunkt enthält, der an einer Distanz relativ zu der oberen Oberfläche entlang der Strahlenlängsachse positioniert wird, und wobei das Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahls auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels umfasst, dass der Brennpunkt des Laserstrahls entlang der Strahlenlängsachse bewegt wird, um die Distanz zwischen dem Brennpunkt und der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zu verkürzen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Distanz zwischen dem Brennpunkt des Laserstrahls und der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang der Strahlenlängsachse von einem Wert zwischen -300 mm und 300 mm auf einen Wert zwischen -280 mm und 280 mm verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der Laserstrahl zu der oberen Oberfläche hin entlang einer Strahlenlängsachse unter einem Einfallswinkel mit der oberen Oberfläche des Werkstückstapels ausbreitet, um dadurch der auf die Ebene der oberen Oberfläche abgebildeten Schnittfläche des Laserstrahls eine elliptische Gestalt zu verleihen, und wobei das Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahls auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels umfasst, dass der Einfallswinkel des Laserstrahls verringert wird, um eine Exzentrizität der auf die Ebene der oberen Oberfläche abgebildeten Schnittfläche des Laserstrahls zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Einfallswinkel des Laserstrahls von einem Wert zwischen 1° und 45° auf einen Wert zwischen 0° und 30° verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhöhen der Strahlungsstärke des Laserstrahl von dem anfänglichen Niveau auf das höhere Niveau das Schmelzbad aus Stahlschmelze derart wachsen lässt, dass das Schmelzbad aus Stahlschmelze vollständig durch das zweite Werkstück aus Stahl hindurch dringt und die untere Oberfläche des Werkstückstapels durchbricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lenken des Laserstrahls auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels umfasst, dass der Laserstrahl von einem optischen Laserschweißkopf ausgestrahlt wird, der über der oberen Oberfläche des Werkstückstapels positioniert ist, wobei der optische Laserschweißkopf eine Fokussierungslinse enthält, von welcher aus sich der Laserstrahl vorwärts zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang einer Strahlenlängsachse ausbreitet, wobei die Fokussierungslinse den Laserstrahl auf einen Brennpunkt auf der Strahlenlängsachse bündelt, der eine Brennweite zwischen 50 mm und 350 mm aufweist, und wobei eine Linsenachse der Fokussierungslinse koaxial zu der Strahlenlängsachse des Laserstrahls ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl ein Halbleiterlaserstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei keines der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel an einer Stoßschnittstelle eingeritzt oder mechanisch mit Vertiefungen versehen ist.
Verfahren zum Laserschweißen von sich überlappenden Werkstücken aus Stahl, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Stahl und ein zweites Werkstück aus Stahl umfasst, wobei das erste Werkstück aus Stahl eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Stahl eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar von benachbarten sich überlappenden Werkstücken aus Stahl innerhalb des Werkstückstapels hergestellt wird, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel eine Oberflächenbeschichtung enthält, die aus einem zinkbasierten Material oder einem aluminiumbasierten Material besteht; ein optischer Laserschweißkopf positioniert wird, um einen Halbleiterlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels derart zu lenken, dass der Laserstrahl an einem Schweißort auf die obere Oberfläche auftrifft und ein Schmelzbad aus Stahlschmelze erzeugt, das in den Werkstückstapel eindringt, wobei der optische Laserschweißkopf eine Fokussierungslinse enthält, von welcher aus sich der Halbleiterlaserstrahl nach vorwärts zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels hin entlang einer Strahlenlängsachse ausbreitet, wobei die Fokussierungslinse den Laserstrahl auf einen Brennpunkt auf der Strahlenlängsachse bündelt, der eine Brennweite zwischen 50 mm und 350 mm aufweist, und wobei eine Linsenachse der Fokussierungslinse koaxial zu der Strahlenlängsachse des Laserstrahls ist; eine Strahlungsstärke des Halbleiterlaserstrahls auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels von einem anfänglichen Niveau auf ein höheres Niveau erhöht wird, indem eine auf eine Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels abgebildete Schnittfläche des Halbleiterlaserstrahls verringert wird, wobei das Erhöhen der Strahlungsstärke von dem anfänglichen Niveau auf das erhöhte Niveau bewirkt, dass das Schmelzbad aus Stahlschmelze wächst und weiter in den Werkstückstapel hinein zu der unteren Oberfläche hin eindringt; und das Übertragen des Halbleiterlaserstrahls beendet wird, um zu ermöglichen, dass das Schmelzbad aus Stahlschmelze zu einer Laserpunktschweißfügestelle erstarrt, die aus wiedererstarrtem Verbundstahlmaterial besteht, das von jedem der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel stammt, wobei das wiedererstarrte Verbundstahlmaterial der Laserpunktschweißfügestelle jede der Stoßschnittstellen innerhalb des Werkstückstapels schneidet, um die Werkstücke aus Stahl miteinander durch Schmelzschweißen zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Werkstückstapel nur das erste und das zweite Werkstück aus Stahl enthält, oder wobei der Werkstückstapel ferner ein zusätzliches drittes Werkstück aus Stahl enthält, das zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück aus Stahl angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das anfängliche Strahlungsstärkenniveau des Laserstrahls in einem Bereich von 500 W/cm² bis 1,0 × 10⁶ W/cm² liegt, und wobei das höhere Strahlungsstärkeniveau des Laserstrahls in einem Bereich von 1000 W/cm² bis 1,0 × 10⁹ W/cm² liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Brennpunkt des Halbleiterlaserstrahls in einer Distanz relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels positioniert wird, und wobei das Erhöhen der Strahlungsstärke des Halbleiterlaserstrahls umfasst, dass der optische Laserschweißkopf bewegt wird, um den Brennpunkt des Halbleiterlaserstrahls entlang der Strahlenlängsachse zu bewegen, um die Distanz zwischen dem Brennpunkt und der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zu verkürzen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Halbleiterlaserstrahl einen Einfallswinkel aufweist, der der auf die Ebene der oberen Oberfläche abgebildeten Schnittfläche des Halbleiterlaserstrahls eine elliptische Gestalt verleiht, und wobei das Erhöhen der Strahlungsstärke des Halbleiterlaserstrahls umfasst, dass der optische Laserschweißkopf bewegt wird, um den Einfallswinkel des Halbleiterlaserstrahls zu verringern, um eine Exzentrizität der auf die Ebene der oberen Oberfläche abgebildeten Schnittfläche des Laserstrahls zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das höhere Niveau der Laserstrahlstrahlungsstärke über 1,0 × 10⁶ W/cm² liegt und ein Schlüsselloch innerhalb des Schmelzbades aus Stahlschmelze erzeugt wird, wenn die Strahlungsstärke des Laserstrahl von dem anfänglichen Niveau auf das höhere Niveau erhöht wird.