DE112016006559T5

DE112016006559T5 - Laserpunktschweissen von sich überlappenden werkstücken aus aluminium

Info

Publication number: DE112016006559T5
Application number: DE112016006559.0T
Authority: DE
Inventors: David Yang; Wu Tao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2018-11-29
Also published as: US10946479B2; US20190126398A1; CN109070271A; WO2017177410A1; CN109070271B

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels (10), der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, umfasst, dass ein Laserstrahl (24) relativ zu einer Ebene einer oberen Oberfläche (20) des Werkstückstapels (10) und entlang eines Strahlbewegungsmusters (74) voranbewegt wird, das innerhalb einer ringförmigen Schweißfläche (82) liegt, die durch eine Innendurchmesserbegrenzung (86) und eine Außendurchmesserbegrenzung (84) auf der Ebene der oberen Oberfläche (20) definiert ist. Das Strahlbewegungsmuster (74) des Laserstrahls (24) umgibt eine zentrale Fläche, die von der ringförmigen Schweißfläche (82) auf der Ebene der oberen Oberfläche (20) umgeben ist, um eingebrachte Porositäten nach innen in einen Bereich der Schweißverbindung (72) unter der zentralen Fläche auf der Ebene der oberen Oberfläche (20) des Werkstückstapels (10) zu zwingen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und spezieller ein Verfahren zum Verschweißen von zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium durch Laserpunktschweißen.
HINTERGRUND
Das Laserpunktschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei dem ein Laserstrahl auf einen Metallwerkstückstapel gelenkt wird, um eine Quelle konzentrierter Energie bereitzustellen, die zum Erzeugen einer Schweißfügestelle zwischen den sich überlappenden beteiligten Werkstücken aus Metall in der Lage ist. Im Allgemeinen werden zunächst zwei oder mehr Werkstücke aus Metall relativ zueinander ausgerichtet und gestapelt, sodass sich ihre Stoßflächen überlappen und einander gegenüberliegen, um eine (oder mehrere) Stoßschnittstellen innerhalb eines geplanten Schweißorts herzustellen. Dann wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt. Die aus der Absorption von Energie aus dem Laserstrahl erzeugte Wärme leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall ein und stellt ein Schmelzbad innerhalb des Werkstückstapels her. Das Schmelzbad dringt durch das Werkstück aus Metall hindurch, auf das der Laserstrahl auftrifft, und in das oder die darunterliegenden Werkstücke aus Metall bis zu einer Tiefe ein, die jede der hergestellten Stoßschnittstellen schneidet. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug ist, wird ein Schlüsselloch direkt unterhalb des Laserstrahls erzeugt, das von dem Schmelzbad umgeben ist. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, das von den Werkstücken aus Metall im Werkstückstapel stammt, die Plasma enthalten kann.
Der Laserstrahl erzeugt das Schmelzbad in sehr kurzer Zeit, sobald er auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels auftrifft. Sobald das Schmelzbad ausgebildet und stabil ist, wird der Laserstrahl entlang der oberen Oberfläche des Werkstückstapels voranbewegt, während er einer vorbestimmten Schweißstrecke folgt, die herkömmlich umfasst, dass der Laserstrahl in einer geraden Linie oder entlang einer gekrümmten Strecke, etwa eines Kreises oder einer „C-förmigen“ Strecke bewegt wird. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls verschiebt das Schmelzbad entlang einer entsprechenden Route relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und hinterlässt im Kielwasser des sich voranbewegenden Schmelzbads eine Spur aus geschmolzenem Werkstückmaterial. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmaterial kühlt ab und erstarrt, um eine Schweißverbindung auszubilden, die aus wieder erstarrtem Verbundwerkstückmaterial besteht, welches die sich überlappenden Werkstücke durch eine Schweißnaht miteinander verbindet.
Die Kraftfahrzeugindustrie zeigt Interesse am Verwenden des Laserpunktschweißens zum Herstellen von Teilen, die in einem Fahrzeug installiert werden können. In einem Beispiel kann der Korpus einer Fahrzeugtür aus einem Türinnenblech und einem Türaußenblech gefertigt werden, die durch eine Vielzahl von Laserschweißverbindungen miteinander verbunden sind. Die Türinnen- und Türaußenbleche werden zunächst relativ zueinander gestapelt und durch Klammern ortsfest befestigt. Dann wird ein Laserstrahl sequentiell auf mehrere Schweißorte verteilt über die gestapelten Bleche in Übereinstimmung mit einer programmierten Sequenz gelenkt, um die Vielzahl von Laserschweißverbindungen auszubilden. An jedem Schweißort, an dem ein Laserpunktschweißen ausgeführt wird, wird der Laserstrahl auf die gestapelten Bleche gelenkt und über eine kurze Distanz bewegt, um die Schweißverbindung in einer einer Vielfalt von Konfigurationen zu erzeugen, die beispielsweise eine Punktschweißverbindung, eine Schweißnaht oder eine Klammerschweißverbindung [engl.: staple weld joint] umfassen. Der Prozess des Laserpunktschweißens von Türinnen- und Türaußenblechen (sowie von anderen Fahrzeugteilkomponenten, etwa denjenigen, die zum Fertigen von Motorhauben, Kofferraumdeckeln, Karosseriestrukturkomponenten usw. verwendet werden) ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann.
Werkstücke aus Aluminium sind ein faszinierender Kandidat für viele Teile und Strukturen von Kraftfahrzeugkomponenten aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und ihrer Fähigkeit zum Verbessern des Kraftstoffverbrauchs des Fahrzeugs. In vielen Anwendungen umfassen die Werkstücke aus Aluminium, die zusammengefügt werden sollen, ein Aluminiummassensubstrat und eine Schutzbeschichtung, die das Substrat bedeckt. Diese Schutzbeschichtung kann eine hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich passiv bildet, wenn frisches Aluminium der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. In anderen Fällen kann die Schutzbeschichtung eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxidkonversionsbeschichtung sein, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nummer US2014/0360986 offenbart ist, deren Offenbarungsgehalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist. Die Schutzbeschichtung hemmt eine Korrosion des darunterliegenden Aluminiumsubstrats durch beliebige einer Vielfalt von Mechanismen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung und sie kann auch andere günstige Verbesserungen bereitstellen.
Eines der Hauptprobleme, die das Laserschweißen von Werkstücken aus Aluminium betreffen, ist die Hohe Löslichkeit von Wasserstoff im Schmelzbad. Beim Erstarren des Schmelzbads wird darin gelöster Wasserstoff eingeschlossen, was zur Porosität in der Schweißverbindung führt, oder er gast aus und verursacht Lunker und Spritzer. Zusätzlich zu den Problemen, die sich durch die Löslichkeit von Wasserstoff im Schmelzbad ergeben, vermutet man, dass die Schutzbeschichtung, die üblicherweise in den Werkstücken aus Aluminium umfasst ist, zu der Ausbildung von Schweißdefekten in der Schweißverbindung beiträgt. Wenn die Schutzbeschichtung beispielsweise eine hitzebeständige Oxidbeschichtung ist, ist es aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts und ihrer mechanischen Festigkeit schwierig, die Beschichtung aufzubrechen und zu zerstreuen. Als Folge findet man oft Oxidrückstände und Mikrorisse in der Laserschweißverbindung. Wenn als weiteres Beispiel die Schutzbeschichtung aus Zink besteht, kann die Beschichtung leicht verdampfen und Hochdruck-Zinkdämpfe erzeugen, die in und durch das Schmelzbad hindurch diffundieren können und zu eingeschlossenen Porositäten in der Schweißverbindung führen können, wenn keine Vorkehrungen getroffen werden, um die Zinkdämpfe vom Schweißort weg zu entlüften. Die anderen vorstehend erwähnten Materialien, die die Schutzbeschichtung bilden können, können ähnliche Probleme bereiten, welche die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung beeinflussen und verschlechtern können.
Die einzigartigen Probleme, denen die Verwendung des Laserschweißens zum Zusammenfügen von Werkstücken aus Aluminium durch eine Schweißnaht unterworfen ist, haben dazu geführt, dass viele Hersteller das Laserpunktschweißen als einen geeigneten Metallfügeprozess trotz seines Potentials zum Gewähren eines großen Bereichs von Vorteilen ablehnen. Anstelle des Laserpunktschweißens sind diese Hersteller zu mechanischen Befestigungselementen übergegangen, etwa Stanznieten oder Flow-Drill-Schrauben, um zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium miteinander zu verbinden. Diese mechanischen Befestigungselemente benötigen jedoch viel mehr Zeit zum Anbringen und weisen im Vergleich mit Laserschweißverbindungen hohe Verbrauchskosten auf. Außerdem erhöhen sie die Komplexität der Fertigung und fügen zu dem Teil, das hergestellt wird, zusätzliches Gewicht hinzu - Gewicht, das vermieden wird, wenn das Fügen mithilfe von Laserschweißverbindungen mit autogenem Schweißen bewerkstelligt wird - das einen Teil der Gewichtseinsparungen neutralisiert, die durch die Verwendung von Werkstücken aus Aluminium erst erreicht werden. Eine Laserpunktschweißstrategie, die den Prozess zu einer besser brauchbaren Option zum Verbinden von Werkstücken aus Aluminium machen kann, wäre daher eine willkommene Erweiterung der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es wird ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels, der sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, offenbart. Der Werkstückstapel enthält zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium, und mindestens eines dieser Werkstücke aus Aluminium (und vorzugsweise alle Werkstücke aus Aluminium) enthält eine schützende Oberflächenbeschichtung. Der Ausdruck „Werkstück aus Aluminium“ bezeichnet, so wie er in der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, weit gefasst ein Werkstück, das ein Aluminiumbasissubstrat enthält, welches mindestens 85 % Gewichtsanteil Aluminium enthält. Jedes der Werkstücke aus Aluminium kann daher ein Aluminiumbasissubstrat enthalten, das aus elementarem Aluminium oder beliebige aus einer großen Vielfalt von Aluminiumlegierungen umfasst. Darüber hinaus ist die schützende Oberflächenbeschichtung, die mindestens eines der Aluminiumbasissubstrate der zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium bedeckt, vorzugsweise eine hitzebeständige Oxidbeschichtung, die sich passiv bildet, wenn frisches Aluminium der Umgebungsluft oder einer anderen Sauerstoffquelle ausgesetzt wird. In alternativen Ausführungsformen kann die schützende Oberflächenbeschichtung jedoch eine Zinkbeschichtung, eine Zinnbeschichtung oder eine Metalloxidkonversionsbeschichtung sein. Das Aluminiumbasissubstrat kann bei beliebigen oder allen der zwei oder mehr Werkstücke aus Aluminium wenn gewünscht auch einer Vielfalt von Wärmebehandlungsprozeduren unterzogen worden sein, die Glühen, Kalthärten und Lösungsglühen umfassen.
Zunächst umfasst das Verfahren zum Laserpunktschweißen das Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält. Die Werkstücke aus Aluminium werden derart übereinandergelegt, dass eine Stoßschnittstelle zwischen den Stoßflächen eines jeden Paars benachbarter, sich überlappender Werkstücke aus Aluminium hergestellt wird. Beispielsweise enthält der Werkstückstapel in einer Ausführungsform erste und zweite Werkstücke aus Aluminium mit jeweiligen ersten und zweiten Stoßflächen, die sich überlappen und einander gegenüberliegen, um eine einzige Stoßschnittstelle herzustellen. In einer anderen Ausführungsform enthält der Werkstückstapel ein zusätzliches drittes Werkstück aus Aluminium, das sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Aluminium befindet. Auf diese Weise weisen das erste und zweite Werkstück aus Aluminium jeweils erste und zweite Stoßflächen auf, die sich mit entgegengesetzt ausgerichteten Stoßflächen des dritten Werkstücks aus Aluminium überlappen und diesen gegenüberliegen, um zwei Stoßschnittstellen herzustellen. Wenn ein drittes Werkstück aus Aluminium vorhanden ist, können das erste und zweite Werkstück aus Aluminium separate und getrennte Teile sein oder sie können alternativ verschiedene Abschnitte des gleichen Teils sein, etwa wenn ein Rand des einen Teils über einen freien Rand eines anderen Teils gefaltet wird.
Nachdem der Werkstückstapel bereitgestellt wurde, wird ein Laserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt und trifft darauf auf, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin in den Werkstückstapel eindringt. Die Leistungsdichte des Laserstrahls ist so gewählt, dass das Laserschweißverfahren in einem Schlüsselloch-Schweißmodus ausgeführt wird. Im Schlüsselloch-Schweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug, um die Werkstücke aus Aluminium zu verdampfen und ein Schlüsselloch direkt unterhalb des Laserstrahls in dem Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen. Das Schlüsselloch stellt eine Leitung zur Absorption von Energie tiefer in den Werkstückstapel hinein bereit, welche wiederum ein tieferes und schmaleres Eindringen des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze ermöglicht. Daher weist das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze, dass während des Schlüsselloch-Schweißmodus erzeugt wird, typischerweise eine Breite an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels auf, die kleiner als die Eindringtiefe des Schmelzbads ist. Während des offenbarten Laserpunktschweißverfahrens dringt das Schlüsselloch vorzugsweise nur teilweise in den Werkstückstapel ein; das heißt, das Schlüsselloch erstreckt sich von der oberen Oberfläche aus in den Werkstückstapel hinein und schneidet jede Stoßschnittstelle, die innerhalb des Stapels hergestellt wurde, aber es erstreckt sich nicht vollständig durch den Stapel hindurch bis zu der unteren Oberfläche.
Im Anschluss an die Erzeugung des Schmelzbads aus Aluminiumschmelze und des Schlüssellochs wird der Laserstrahl relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters voranbewegt. Das Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters verschiebt das Schlüsselloch und das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze entlang einer Route, die der mustergestützten Bewegung des Laserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entspricht. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters hinterlässt im Kielwasser des Laserstrahls und der entsprechenden Route des Schmelzbads eine Spur aus geschmolzenem Aluminiumwerkstückmaterial. Diese Spur aus geschmolzenem Aluminiumwerkstückmaterial kühlt schnell ab und erstarrt zu wieder erstarrtem Aluminiumverbundwerkstückmaterial, das aus Aluminiummaterial von jedem Werkstück aus Aluminium besteht, in das das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze eingedrungen ist. Das gesamte wieder erstarrte Aluminiumverbundwerkstückmaterial, das durch das Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters erhalten wird, stellt eine Punktschweißverbindung bereit, die die Werkstücke aus Aluminium autogen miteinander durch eine Schweißnaht verbindet. Nachdem der Laserstrahl sein Voranbewegen entlang des Strahlbewegungsmusters abgeschlossen hat, wird der Laserstrahl von der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entfernt, typischerweise durch Anhalten der Übertragung des Laserstrahls.
Das Strahlbewegungsmuster, dem der Laserstrahl folgt, enthält eine oder mehrere Schweißstrecken, die bei einer Projektion auf eine Ebene (die x-y-Ebene) der oberen Oberfläche des Werkstückstapels innerhalb einer ringförmigen Schweißfläche liegen. Die ringförmige Schweißfläche ist durch eine Außendurchmesserbegrenzung und eine Innendurchmesserbegrenzung definiert. Das Strahlbewegungsmuster des Laserstrahls umgibt eine zentrale Fläche, die von der ringförmigen Schweißfläche auf der Ebene der oberen Oberfläche umgeben ist. Die ringförmige Schweißfläche kann bei einer Projektion auf die Ebene der oberen Oberfläche eine kreisförmige Außendurchmesserbegrenzung und eine kreisförmige Innendurchmesserbegrenzung enthalten, obwohl selbstverständlich andere geometrische Gestalten möglich sind. Der Durchmesser der Innendurchmesserbegrenzung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 mm bis 12 mm und ein Durchmesser der Außendurchmesserbegrenzung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 3 mm bis 15 mm. Während sich der Laserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters innerhalb der ringförmigen Schweißfläche bewegt, führt er dieses aus, ohne auf die zentrale Fläche aufzutreffen. Diese Art von mustergestützter Bewegung des Laserstrahls zwingt eingeschlossene Porositäten nach innen hinein in eine Region der resultierenden Schweißverbindung unter der zentralen Fläche auf der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels. Das Treiben von Porositäten nach innen wiederum führt dazu, dass die Schweißverbindung bessere Festigkeit und bessere mechanische Eigenschaften aufweist, da zentral angeordnete Porositäten weniger schwächen als Porositäten, die um den Umfang der Verbindung herum angeordnet sind.
Die eine oder die mehreren Schweißstrecken, die das Strahlbewegungsmuster bilden, können beliebige einer Vielfalt von Profilen relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels annehmen. Zum Beispiel kann die eine oder können die mehreren Schweißstrecken eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen oder elliptischen Schweißstrecken umfassen (etwa eine Reihe von konzentrischen kreisförmigen Schweißstrecken). In diesem Fall springt der Laserstrahl zwischen mehreren diskreten kreisförmigen/elliptischen Schweißstrecken und wird entlang dieser voranbewegt, um das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze und das zugehörige Schlüsselloch entlang einer entsprechenden Reihe von kreisförmigen/elliptischen Routen innerhalb der ringförmigen Schweißfläche zu verschieben. Darüber hinaus kann die Schrittgröße oder der Zwischenraum zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten auf jedem Paar von benachbarten kreisförmigen/elliptischen Schweißstrecken in einem Bereich von 0,01 mm bis 0,8 mm liegen. In einer Implementierung wird der Laserstrahl zuerst entlang einer kreisförmigen/elliptischen Schweißstrecke nahe bei der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche voranbewegt, welche folglich diejenige kreisförmige/elliptische Schweißstrecke ist, die im Vergleich mit den anderen kreisförmigen/elliptischen Schweißstrecken den größten Durchmesser aufweist. Dann wird der Laserstrahl entlang einer oder mehrerer sukzessive kleinerer kreisförmiger/elliptischer Schweißstrecken innerhalb der ringförmigen Schweißfläche voranbewegt, bis er schließlich entlang einer kreisförmigen/elliptischen Schweißstrecke nahe bei der Innendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche voranbewegt wird.
Als weiteres Beispiel kann die eine oder können die mehreren Schweißstrecken eine spiralförmige Schweißstrecke umfassen, die sich von einem festen Innenpunkt nahe bei der Innendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche zu einem festen Außenpunkt nahe bei der Außendurchmesserbegrenzung windet und sich radial nach außen hin ausdehnt. Die verschiedenen Windungen der spiralförmigen Schweißstrecke können äquidistant voneinander beabstandet sein oder sie können mit variierenden Distanzen voneinander beabstandet sein. Bei einem speziellen Beispiel des Nachverfolgens der spiralförmigen Schweißstrecke wird der Laserstrahl entlang einer sich in radialer Richtung verengenden Progression der spiralförmigen Schweißstrecke von der Außendurchmesserbegrenzung weg und zu der Innendurchmesserbegrenzung und der zentralen Fläche hin voranbewegt, wodurch das Schmelzbad aus Aluminiumschmelze und das zugehörige Schlüsselloch entlang einer entsprechenden spiralförmigen Route verschoben werden. Und wie vorher ist die Schrittgröße oder Zwischenraum zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten auf jedem Paar von benachbarten Windungen der spiralförmigen Schweißstrecke größer als 0,01 mm und kleiner als 0,8 mm.
Die eine oder die mehreren Schweißstrecken des Strahlbewegungsmusters können zusätzlich zu Kreisen, Ellipsen und Spiralen selbstverständlich eine Vielfalt anderer räumlicher Profile annehmen. Zum Beispiel kann der eine oder können die mehreren Schweißstrecken eine Rollkurven-Schweißstrecke sein, die innerhalb der ringförmigen Schweißfläche liegt. Ein spezieller Typ einer Rollkurven-Schweißstrecke, der verwendet werden kann, ist eine epitrochoide Schweißstrecke. Eine epitrochoide Schweißstrecke kann wie eine Kette aus sich wiederholenden Schleifen erscheinen, die zwischen der Außendurchmesserbegrenzung und der Innendurchmesserbegrenzung liegt und die zentrale Fläche umgibt, die innerhalb der ringförmigen Schweißfläche auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels angeordnet ist. Wenn der Laserstrahl entlang der epitrochoiden Schweißstrecke voranbewegt wird, bewegt er sich abwechselnd näher hin zu und weiter weg von der Innendurchmesserbegrenzung und der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche. Es können auch viele andere Schweißstreckenprofile, die hier nicht explizit beschrieben sind, verwendet werden, um ähnliche Effekte und Ergebnisse zu erzielen wie die Schweißstrecke(n), die vorstehend erwähnt wurde(n) und nachstehend in größerem Detail beschrieben wird/werden.
Man vermutet, dass das Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters innerhalb der ringförmigen Schweißfläche und um die zentrale Fläche herum der resultierenden Schweißverbindung eine zufriedenstellende Festigkeit verleiht. Speziell vermutet man ohne Bindung an eine Theorie, dass das Voranbewegen des Laserstrahls entlang der einen oder der mehreren Schweißstrecken innerhalb der ringförmigen Schweißfläche größere Störungen (z.B. Brechen und Aufreißen, Verdampfen oder anderes) der schützenden Oberflächenbeschichtung sowie ein effektiveres Abführen von Wasserstoffgas aus dem Schmelzbad aus Aluminiumschmelze im Vergleich mit herkömmlichen Laserschweißpraktiken fördert. Dies wiederum trägt dazu bei, die Verbreitung von Porositäten durch eingeschlossenes Gas und von anderen Schweißdefekten in der Schweißverbindung zu minimieren, welche zum Verringern der Festigkeit der Schweißverbindung tendieren. Zudem kann das Voranbewegen des Laserstrahls in radialer Richtung nach innen entlang der einen oder der mehreren Schweißstrecken des Strahlbewegungsmusters, auch wenn einige Porositäten oder andere Defekte vorhanden sind, dazu beitragen, diese Schweißstörungen in das Innere der Schweißverbindung zu drücken, wobei man annimmt, dass dies ein ungefährlicherer Ort für Porositäten und andere Schweißdefekte im Hinblick auf deren Auswirkung auf die Festigkeit der Verbindung ist.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne zum Erzeugen einer Laserpunktschweißverbindung innerhalb eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält;
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt (entlang einer Linie 2-2) des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Aluminiumschmelze und einem Schlüsselloch, die durch einen Laserstrahl erzeugt werden, der auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels auftrifft;
3 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Werkstückstapels aus der gleichen Perspektive wie 2, obwohl der Werkstückstapel hier drei Werkstücke aus Aluminium enthält, die zwei Stoßschnittstellen herstellen, im Gegensatz zu zwei Werkstücken aus Aluminium, die eine einzige Stoßschnittstelle herstellen, wie in 2 dargestellt ist;
4 stellt eine Ausführungsform des auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem ein Laserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein dieses umgebendes Schmelzbad aus Aluminiumschmelze während der Ausbildung einer Laserpunktschweißverbindung zwischen den zwei oder den mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgt;
5 stellt eine andere Ausführungsform des auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, das dem ein Laserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein dieses umgebendes Schmelzbad aus Aluminiumschmelze während der Ausbildung einer Laserpunktschweißverbindung zwischen den zwei oder den mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgt;
5A stellt eine andere Ausführungsform eines auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, das dem in 5 gezeigten Strahlbewegungsmuster ähnelt; und
6 stellt noch eine weitere Ausführungsform des das auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem ein Laserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein dieses umgebendes Schmelzbad aus Aluminiumschmelze beim Ausbilden einer Laserpunktschweißverbindung zwischen den zwei oder den mehreren sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgt.

GENAUE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium besteht, beansprucht das Voranbewegen eines Laserstrahls relativ zu einer Ebene einer oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters. Das offenbarte Strahlbewegungsmuster umfasst eine oder mehrere Schweißstrecken, die auf eine ringförmige Schweißfläche beschränkt sind, welche eine zentrale Fläche umgibt. Eine beliebige Laserschweißvorrichtung, einschließlich von Vorrichtungen zum Laserschweißen aus der Ferne und von herkömmlichen Laserschweißvorrichtungen kann verwendet werden, um den Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang des Strahlbewegungsmusters voran zu bewegen. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Werkstücke aus Aluminium, die zusammengefügt werden, und von der Vorrichtung zum Laserschweißen, die verwendet wird, kann der Laserstrahl ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein. Einige erwähnenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein Direktdioden-Laserstrahl 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 Schlüsselloch und das dieses umgebende Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, welche nachstehend in größerem Detail beschrieben ist, lenkt eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne einen Festkörperlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels und bewegt diesen entlang der oberen Oberfläche voran.
Nun mit Bezugnahme auf 1-3 ist ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels 10 veranschaulicht, bei welchem der Werkstückstapel 10 mindestens ein erstes Werkstück 12 aus Aluminium und ein zweites Werkstück 14 aus Aluminium enthält, die sich an einem Schweißort 16 überlappen, an dem das Laserpunktschweißen unter Verwendung einer Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne praktiziert wird. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium stellen eine obere Oberfläche 20 bzw. eine untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 steht der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zur Verfügung und ein Laserstrahl 24, der aus der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne hervorgeht, kann darauf zugreifen. Und da nur ein Zugang von einer Seite benötigt wird, um das Laserschweißen aus der Ferne auszuführen, besteht keine Notwendigkeit, dass die untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 für die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne auf die gleiche Weise wie die obere Oberfläche 20 zugänglich gemacht wird. Obwohl der Einfachheit halber nur ein Schweißort 16 in den Figuren dargestellt ist, wird der Fachmann darüber hinaus feststellen, dass das Laserschweißen in Übereinstimmung mit dem offenbarten Verfahren an vielen verschiedenen Schweißorten praktiziert werden kann, die über den gleichen Werkstückstapel 10 hinweg verteilt sind.
Hinsichtlich der Anzahl der vorhandenen Werkstücke aus Aluminium kann der Werkstückstapel 10, wie in 1-2 gezeigt ist, nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium enthalten. In diesem Szenario enthält das erste Werkstück 12 aus Aluminium eine Außenfläche 26 und eine erste Stoßfläche 28 und das zweite Werkstück 14 aus Aluminium enthält eine Außenfläche 30 und eine zweite Stoßfläche 32. Die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium stellt die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bereit, und die Außenfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium stellt die entgegengesetzt gerichtete untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Anders ausgedrückt, da die zwei Werkstücke 12, 14 aus Aluminium die einzigen beiden Werkstücke sind, die in dem Werkstückstapel 10 vorhanden sind, überlappen sich die erste und zweite Stoßfläche 28, 32 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium 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 3 beschrieben ist, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches Werkstück aus Aluminium enthalten, sodass der Werkstückstapel 10 drei Werkstücke aus Aluminium statt nur zwei wie, in 1-2 gezeigt, enthält.
Der Begriff „Stoßschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung weit gefasst verwendet und soll einen weiten Bereich von Überlappungsbeziehungen zwischen den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßflächen 28, 32 umfassen, die an die Praxis des Laserschweißens angepasst werden können. Zum Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie sich in direktem oder indirektem Kontakt befinden. Die Stoßoberflächen 28, 32 sind in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischen liegende Materialschicht oder durch Lücken getrennt sind, die außerhalb von normalen Montagetoleranzbereichen liegen. Die Stoßflächen 28, 32 sind in indirektem Kontakt, wenn sie durch eine diskrete dazwischen liegende Materialschicht getrennt sind - und folglich nicht die Art des extensiven Schnittstellenaneinanderliegens erfahren, die den direkten Kontakt typisiert - jedoch nahe genug beieinander liegen, dass das Laserpunktschweißen praktiziert werden kann. Als weiteres Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie durch Lücken getrennt sind, die absichtlich eingeführt wurden. Diese Lücken können zwischen den Stoßflächen 28, 32 eingeführt werden, indem an einer oder an beiden Stoßflächen 28, 32 vorspringende Merkmale durch Laserabrieb, mechanische Dellenbildung oder anderweitig erzeugt werden. Die vorspringenden Merkmale halten sporadische Kontaktpunkte zwischen den Stoßflächen 28, 32 aufrecht, welche die Stoßflächen 28, 32 außerhalb von und um die Kontaktpunkte herum bis hin zu 1,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm voneinander beabstandet halten.
Wie in 2 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Aluminium ein erstes Aluminiumbasissubtrat 36, und das zweite Werkstück 14 aus Aluminium enthält ein zweites Aluminiumbasissubstrat 38. Jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 kann getrennt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85 % Gewichtsanteil Aluminium enthält. Einige erwähnenswerte Aluminiumlegierungen, die das erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Zudem kann jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 separat in bearbeiteter oder gegossener Form bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 aus einer Blechschicht einer geschmiedeten Aluminiumlegierung der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx, aus einem Extrusions-, Schmiede- oder einem anders bearbeiteten Artikel bestehen. Oder als anderes Beispiel kann jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 aus einem Aluminiumlegierungsguss der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, die als das erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 verwendet werden können, umfassen unter anderem eine AA5754-Aluminium-Magnesium-Legierung, eine AA6022-Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine AA7003-Aluminium-Zink-Legierung und eine AL-10Si-Mg-Aluminiumdruckgusslegierung. Das erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 kann/können in einer Vielfalt von Härtegraden verwendet werden, die in Abhängigkeit von den gewünschten Werkstückeigenschaften geglüht (O), kaltgehärtet (H) und lösungsgeglüht (T) umfassen.
Mindestens eines der ersten oder zweiten Werkstücke 12, 14 als Aluminium - und vorzugsweise beide - enthalten eine Schutzoberfläche 40, die das Aluminiumbasissubstrat 36, 38 überlagert. Tatsächlich sind, wie in 2 gezeigt ist, sowohl das erste als auch das zweite Aluminiumbasissubtrat 36, 38 mit einer schützenden Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet, die wiederum für die Werkstücke 12, 14 ihre jeweiligen Außenflächen 26, 30 und ihre jeweiligen Stoßflächen 28, 32 bereitstellt. Die schützende Oberflächenbeschichtung 40 kann eine hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich passiv bildet, wenn frisches Aluminium von dem Aluminiumbasissubtrat 36, 38 der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die schützende Oberflächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxidkonversionsbeschichtung sein, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht. Eine typische Dicke der schützenden Oberflächenbeschichtung 38, falls vorhanden, liegt in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung im Bereich von 1 nm bis 10 µm. Wenn man die Dicke der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 und der schützenden Oberflächenbeschichtung 40 berücksichtigt, können das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium Dicken in dem Bereich von 0,3 mm bis 6,0 mm und enger gefasst in dem Bereich von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest am Schweißort 16 aufweisen. Die Dicken des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium können gleich oder voneinander verschieden sein.
1-2 veranschaulichen eine Ausführungsform des Laserschweißverfahrens, bei dem der Werkstückstapel 10 zwei sich überlappende Werkstücke 12, 14 aus Aluminium enthält, die die einzige Stoßschnittstelle 34 aufweisen. Selbstverständlich kann der Werkstückstapel 10, wie in 3 gezeigt ist, ein zusätzliches drittes Werkstück 42 aus Aluminium enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium angeordnet ist. Das dritte Werkstück 42 aus Aluminium enthält, falls vorhanden, ein drittes Aluminiumbasissubstrat 44, das blank oder mit der gleichen schützenden Oberflächenbeschichtung 40 (wie gezeigt), die oben beschrieben ist, beschichtet sein kann. In der Tat enthält, wenn der Werkstückstapel 10 das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 14, 42 aus Aluminium, die sich überlappen, enthält, das Aluminiumbasissubstrat 36, 38, 44 von mindestens einem der Werkstücke 12, 14, 42 und vorzugsweise von allen die schützende Oberflächenbeschichtung 40. Hinsichtlich der Eigenschaften des dritten Aluminiumbasissubstrats 44 sind die vorstehenden Beschreibungen im Hinblick auf das erste und zweite Aluminiumbasissubstrat 36, 38 gleichermaßen auch auf das Substrat 44 anwendbar.
Als Folge des Stapelns des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 14, 42 aus Aluminium in sich überlappender Weise, um den Werkstückstapel 10 bereitzustellen, weist das dritte Werkstück 42 aus Aluminium zwei Stoßflächen 46, 48 auf. Eine der Stoßflächen 46 überlappt sich mit der ersten Stoßfläche 28 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium und liegt dieser gegenüber, und die andere Stoßfläche 48 überlappt sich mit der zweiten Stoßfläche 32 des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium und liegt dieser gegenüber, wodurch zwei Stoßschnittstellen 50, 52 innerhalb des Werkstückstapels 10 hergestellt werden, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstrecken. Diese Stoßschnittstellen 50, 52 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die mit Bezug auf 1-2 bereits beschrieben wurde. Folglich weisen in dieser hier beschriebenen Ausführungsform die Außenflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Aluminium immer noch allgemein voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und bilden die obere und untere Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10. Der Fachmann weiß und stellt fest, dass das Verfahren zum Laserschweißen, das die folgende Offenbarung umfasst, die auf einen Werkstückstapel gerichtet ist, der zwei Werkstücke aus Aluminium enthält, leicht ohne übermäßige Schwierigkeit angepasst und auf einen Werkstückstapel angewendet werden kann, der drei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält.
Wieder mit Bezug auf 1-3 enthält die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 54. Der optische Laserabtastkopf 54 lenkt den Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10, welche hier durch die Außenoberfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium bereitgestellt ist. Der optische Laserabtastkopf 54 ist vorzugsweise an einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, der den Laserkopf 54 schnell und genau an viele verschiedene vorgewählte Schweißorte an dem Werkstückstapel 10 in schneller programmierter Abfolge befördern kann. Der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 54 verwendete Laserstrahl 24 ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl und im Speziellen ein Faserlaserstrahl oder ein Scheibenlaserstrahl oder ein Direktdioden-Laserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet (der üblicherweise von 700 nm bis 1400 nm reicht). Zudem weist der Laserstrahl 24 eine Leistungsniveaukapazität auf, die eine Leistungsdichte erreichen kann, die ausreicht, um ein Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels 10 zu erzeugen. Die zum Erzeugen eines Schlüssellochs innerhalb von sich überlappenden Werkstücken aus Aluminium benötigte Leistungsdichte liegt typischerweise in der Nähe von etwa 1,0 MW/cm².
Eine große Vielfalt von Faser-, Scheiben- und Direktdioden-Laserstrahlen ist kommerziell verfügbar und zur Verwendung mit dem optischen Laserabtastkopf 54 der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne geeignet. Beispielsweise ist ein bevorzugter Faserlaserstrahl ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine optische Faser ist, die mit einem Seltenerdenelement dotiert ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium usw.). Als weiteres Beispiel ist ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei dem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Seltenerdenelement dotiert ist (z.B. ein mit Ytterbium dotierter Ytterbium-Aluminium-Granatkristall (Yb:YAG-Kristall), der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist) und an einem Kühlkörper montiert ist. Und als noch weiteres Beispiel ist ein bevorzugter Direktdioden-Laserstrahl ein kombinierter Laserstrahl (z.B. wellenlängenkombiniert), der aus mehreren Dioden hergeleitet wird, in welchen das Verstärkungsmedium Halbleiter sind, etwa diejenigen, die auf Aluminium-Gallium-Arsenid (AIGaAS) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAS) beruhen. Selbstverständlich können andere hier nicht speziell erwähnte Festkörperlaserstrahlen verwendet werden.
Der optische Laserabtastkopf 54 enthält eine Anordnung von Spiegeln 56, die den Laserstrahl 24 relativ zu einer Ebene, die entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 orientiert ist, innerhalb einer Arbeitshüllkurve 58 manövrieren können, die den Schweißort 16 umfasst. Hier ist, wie in 1 veranschaulicht ist, die Ebene der oberen Oberfläche 20, die von der Arbeitshüllkurve 58 aufgespannt wird, als die x-y-Ebene beschriftet, da die Position des Laserstrahls 24 innerhalb der Ebene durch die „x“- und „y“-Koordinaten eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert ist. Zusätzlich zu der Anordnung von Spiegeln 56 enthält der optische Laserabtastkopf 54 auch eine Sammellinse 60 an der z-Achse, die einen Brennpunkt 62 (2-3) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse des Laserstrahls 24 bewegen kann, um dadurch den Ort des Brennpunkts 62 in eine z-Richtung zu verändern, die in dem dreidimensionalen Koordinatensystem, das in 1 geschaffen wurde, rechtwinklig zu der x-y-Ebene orientiert ist. Um zu verhindern, dass Schutz und Ablagerungen das optische System und die Integrität des Laserstrahls 24 nachteilig beeinflussen, kann außerdem eine Abdeckscheibe 64 unter dem optischen Laserabtastkopf 54 angeordnet sein. Die Abdeckscheibe 64 schützt die Anordnung von Spiegeln 56 und die Sammellinse 60 an der z-Achse vor der Umgebung, ermöglicht jedoch, dass der Laserstrahl 24 den optischen Laserabtastkopf 54 ohne eine wesentliche Störung verlässt.
Die Anordnung von Spiegeln 56 und die Sammellinse 60 an der z-Achse arbeiten während des Laserschweißens aus der Ferne zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 innerhalb der Arbeitshüllkurve 58 am Schweißort 16 sowie die Position des Brennpunkts 62 entlang der Längsachse des Strahls 24 vorzugeben. Spezieller enthält die Anordnung von Spiegeln 56 ein Paar kippbare Abtastspiegel 66. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 66 ist an einem Galvanometer 68 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 66 können die Stelle, an welcher der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft, an irgendeine Stelle in der x-y-Ebene der Arbeitshüllkurve 58 durch präzise koordinierte Kippbewegungen bewegen, die von den Galvanometern 68 ausgeführt werden. Gleichzeitig steuert die Sammellinse 60 an der z-Achse den Ort des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24, um dazu beizutragen, den Laserstrahl 24 mit der korrekten Leistungsdichte zu regulieren. Alle diese optischen Komponenten 60, 66 können innerhalb von Millisekunden oder weniger schnell indiziert werden, um den Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang eines Strahlbewegungsmusters voran zu bewegen, das eine oder mehrere Schweißstrecken enthält. Mehrere spezielle Beispiele für das Strahlbewegungsmuster sind in größerem Detail nachstehend beschrieben.
Eine Eigenschaft, die das Laserschweißen aus der Ferne (das manchmal auch als „welding on the fly“ bezeichnet wird) von anderen herkömmlichen Formen des Laserschweißens unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 24. Wie in 1 am besten gezeigt ist, weist der Laserstrahl 24 hier eine Brennweite 70 auf, die als die Distanz zwischen dem Brennpunkt 62 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 66, der den Laserstrahl 24 unterbricht und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft, gemessen wird (auch die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium). Die Brennweite 70 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 Meter bis 2,0 Meter, wobei ein Durchmesser des Brennpunkts 62 typischerweise in dem Bereich von 350 um bis 700 µm liegt. Der in 1 allgemein gezeigte und vorstehend beschriebene optische Laserabtastkopf 54 sowie andere, die ein wenig anders aufgebaut sein können, sind aus einer Vielfalt von Bezugsquellen kommerziell verfügbar. Einige erwähnenswerte Lieferanten von optischen Laserabtastköpfen und von Lasern zur Verwendung mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne umfassen HIGHYAG (Kleinmachnow, Deutschland) und TRUMPF Inc. (Farmington, Connecticut, USA).
In dem vorliegend offenbarten Verfahren wird, wie ein den Figuren allgemein veranschaulicht ist, eine Laserpunktschweißverbindung 72 (1) zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium (oder zwischen dem ersten, zweiten und dritten Werkstück 12, 14, 42 aus Aluminium, wie in 3 gezeigt ist) ausgebildet, in dem der Laserstrahl 24 entlang eines speziellen Strahlbewegungsmusters 74 (4-6) relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 voranbewegt wird. Wie in 2-3 am besten gezeigt ist, wird der Laserstrahl 24 zu Beginn auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb des Schweißorts 16 gelenkt und trifft darauf auf. Die aus einer Absorption der fokussierten Energie des Laserstrahls 24 erzeugte Wärme leitet das Schmelzen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Aluminium (und des dritten Werkstücks 42 als Aluminium, wenn vorhanden) ein, um ein Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche 20 aus zu der unteren Oberfläche 22 hin in den Werkstückstapel 10 eindringt. Der Laserstrahl 24 verfügt außerdem über eine Leistungsdichte, die ausreicht, um den Werkstückstapel 10 direkt unter der Stelle zu verdampfen, an der er auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 78, das eine Säule aus verdampftem Aluminium ist, die für gewöhnlich Plasma enthält. Das Schlüsselloch 78 wird in dem Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze nach innen kollabiert.
Wie das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze dringt auch das Schlüsselloch 78 von der oberen Oberfläche 20 aus zu der unteren Oberfläche 22 hin in den Werkstückstapel 10 ein. Das Schlüsselloch 78 stellt eine Leitung bereit, damit der Laserstrahl 24 Energie nach unten in den Werkstückstapel 10 hinein liefern kann, wodurch ein relativ tiefes und schmales Eindringen des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel 10 hinein und eine relativ kleine umgebende durch Wärme beeinflusste Zone ermöglicht werden. Das Schlüsselloch 78 und das umgebende Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze dringen in den Werkstückstapel 10 ein und schneiden jede Stoßschnittstelle 34 (oder 50, 52), die innerhalb des Stapels 10 hergestellt wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform dringen das Schlüsselloch 78 und das umgebende Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze zum Teil in den Werkstückstapel 10 ein, wobei sich in diesem Fall das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze von der oberen Oberfläche 20 aus in den Stapel 10 hinein erstrecken, sich aber nicht den gesamten Weg bis zu der unteren Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 erstrecken und diese durchbrechen. Das Leistungsniveau, die Verfahrgeschwindigkeit und/oder die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 können während des Laserschweißprozesses so gesteuert werden, dass das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze in den Werkstückstapel 10 bis zu der geeigneten Teileindringtiefe eindringen.
Nachdem das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze und das Schlüsselloch 78 [erzeugt wurden], wird der Laserstrahl 24 relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels entlang des Strahlbewegungsmusters 74 voranbewegt. Das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 74 wird durch präzises Steuern der koordinierten Bewegungen der Abtastspiegel 66 des optischen Laserabtastkopfes 54 bewältigt. Diese koordinierten Bewegungen der Abtastspiegel 66 können den Laserstrahl 24 schnell bewegen, um dem Strahlbewegungsmuster 74 zu folgen, das eine geometrischen Konfiguration aufweist, die ermöglicht, dass die Schweißverbindung 72 das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Aluminium (und das zusätzliche dazwischenliegende Werkstück 42 aus Aluminium, falls vorhanden) am Schweißort 16 trotz der Tatsache erfolgreich verbindet, dass mindestens eines der Werkstücke 12, 14 (und optional 42) eine schützende Oberflächenbeschichtung 40 enthält, die tendenziell eine Quelle von Schweißdefekten ist. Der Schweißlaserstrahl 24 wird vorzugsweise entlang des gewünschten Strahlbewegungsmusters 74 mit einer relativ hohen Verfahrgeschwindigkeit voranbewegt, die im Bereich zwischen 2 m/min und 120 m/min oder enger gefasst zwischen 8 m/min und 50 m/min liegt.
Das Strahlbewegungsmuster 74, dem der Laserstrahl 24 folgt, kann eine Vielfalt verschiedener geometrischer und räumlicher Konfigurationen annehmen. Im Allgemeinen jedoch enthält das Strahlbewegungsmuster 74 eine oder mehrere nicht lineare Schweißstrecken 80, die auf eine ringförmige Schweißfläche 82 beschränkt sind. Die ringförmige Schweißfläche 82 ist durch eine Außendurchmesserbegrenzung 84 und eine Innendurchmesserbegrenzung 86 auf der Ebene der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 definiert und umgibt eine zentrale Fläche 88. Die Außendurchmesserbegrenzung 84 liegt vorzugsweis ein einem Durchmesserbereich von 3 mm bis 15 mm, während die Innendurchmesserbegrenzung 86 vorzugsweise in einem Durchmesserbereich von 1 mm bis 12 mm liegt. In 4-6 sind Draufsichten auf mehrere repräsentative Beispiele für das Strahlbewegungsmuster 74 und die ringförmige Schweißfläche 82, welche das Strahlbewegungsmuster 74 begrenzt, gezeigt. Bei diesen repräsentativen Beispielen zeigen 4, 5 und 6 ringförmige Schweißflächen 82 mit einer kreisförmigen Außendurchmesserbegrenzung 84 und einer kreisförmigen Innendurchmesserbegrenzung 86. 5A ist ein wenig anders und stellt eine ringförmige Schweißfläche 82 dar, die elliptische Außen- und Innendurchmesserbegrenzungen 84, 86 aufweist.
Wie vorstehend erwähnt wurde, folgt der Laserstrahl 24 dem Strahlbewegungsmuster 74 mit Bezug auf eine Ebene, die entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 am Schweißort 16 orientiert ist. Daher sind die in 4-6 präsentierten Veranschaulichungen Draufsichten von oben auf verschiedene beispielhafte Strahlbewegungsmuster, die auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 projiziert sind. Diese Ansichten liefern ein visuelles Verständnis dessen, wie der Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 während der Ausbildung der Schweißverbindung 72 voranbewegt wird. Die eine oder die mehreren nicht linearen Schweißstrecken 80 innerhalb des Strahlbewegungsmusters 74 können eine einzige Schweißstrecke oder eine Vielzahl von Schweißstrecken umfassen, die eine Krümmung oder Abweichung von Linearität enthalten. Diese Schweißstrecken können kontinuierlich gekrümmt sein oder sie können aus mehreren geraden Liniensegmenten bestehen, die an den Enden miteinander unter einem Winkel verbunden sind (d.h. der Winkel zwischen den verbundenen Liniensegmenten ist ≠ 180°).
Mit Bezug nun auf 4-6 kann das Strahlbewegungsmuster 74 ein Strahlbewegungsmuster mit geschlossener Kurve, ein spiralförmiges Strahlbewegungsmuster oder ein anderes Strahlbewegungsmuster umfassen. Ein Strahlbewegungsmuster mit geschlossener Kurve kann jedes Muster sein, das eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeter und nicht verbundener kreisförmiger Schweißstrecken, elliptischer Schweißstrecken oder von Schweißstrecken mit ähnlichen geschlossenen Kurven enthält. Ein spiralförmiges Strahlbewegungsmuster kann jedes Muster sein, das eine einzige Schweißstrecke aufweist, die sich um die Innendurchmesserbegrenzung 86 der ringförmigen Schweißfläche 82 herum dreht und mehrere Windungen enthält, die in radialer Richtung zwischen den Außen- und Innendurchmesserbegrenzungen 84, 86 voneinander beabstandet sind, wobei eine bevorzugte Anzahl von spiralförmigen Windungen in einem Bereich von 2 bis 20 liegt. Als Strahlbewegungsmuster 74 kann auch eine große Vielfalt anderer Muster verwendet werden, die beispielsweise das in 6 gezeigte Rollkurven-Strahlbewegungsmuster umfasst, welches eine epitrochoide Schweißstrecke enthält. Auch Variationen dieser speziell veranschaulichten Strahlbewegungsmuster 74 sowie anderen Mustern, die nicht lineare Schweißstrecken enthalten, kann der Laserstrahl 24 folgen, um die Laserpunktschweißverbindung 72 auszubilden.
4 veranschaulicht eine Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters 74, die eine einzige nicht lineare innere Schweißstrecke 80 umfasst, die innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 82 liegt. Diese Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters 74 enthält speziell eine spiralförmige Schweißstrecke 800, die innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 82 liegt. Die spiralförmige Schweißstrecke 800 des Strahlbewegungsmusters 74 entspringt an einem festen Innenpunkt 802, umkreist die zentrale Fläche 88 während sie sich um die Innendurchmesserbegrenzung 86 der ringförmigen Schweißfläche 82 herum dreht und endet an einem festen Außenpunkt 804. Die spiralförmige Schweißstrecke 800 dreht sich folglich von dem festen Innenpunkt 802 zu dem festen Außenpunkt 804 um diese herum und dehnt sich radial nach außen aus. Darüber hinaus kann die spiralförmige Schweißstrecke 800 kontinuierlich gekrümmt sein, wie in 4 gezeigt ist, und sie kann in der Form einer archimedischen Spirale angeordnet sein, bei welcher die Windungen der Schweißstrecke 800 voneinander um eine Distanz (d) äquidistant beabstandet sind. Diese Distanz (d) kann als Schrittgröße bezeichnet werden und sie kann in einem Bereich zwischen 0,01 mm und 0,8 mm gemessen zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten A, B auf jedem Paar von benachbarten Windungen gemessen werden. Alternativ kann als weiteres Beispiel die spiralförmige Schweißstrecke 800 in der Form einer gleichwinkligen bzw. logarithmischen Spirale angeordnet sein, wobei in diesem Fall die benachbarten Windungen der Spirale fortschreitend weiter voneinander entfernt sind. Ein Beispiel für eine gleichwinklige Spirale ist durch die Gleichung r(0) = e^-0,1(θ) definiert, bei welcher θ in Polarkoordinaten definiert ist.
5-5A veranschaulichen mehrere Ausführungsformen des Strahlbewegungsmusters 74, die eine Vielzahl nicht linearer Schweißstrecken 80 umfassen, die sich insofern voneinander unterscheiden, als sich die nicht linearen Schweißstrecken 80 nicht schneiden. Jedes der in 5-5A gezeigten Strahlbewegungsmuster 74 umfasst beispielsweise eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeter und nicht miteinander verbundener kreisförmiger Schweißstrecken 820 (5) oder von nicht miteinander verbundenen elliptischen Schweißstrecken 822 ( 5A). Die kreisförmigen Schweißstrecken 820 und die elliptischen Schweißstrecken 822 sind um die zentrale Fläche 88 herum konzentrisch angeordnet. Diese diskreten Schweißstrecken 820, 822 können in radialer Richtung gleichmäßig voneinander beabstandet sein (5-5A), oder sie können mit variierenden Distanzen zwischen den Außen- und Innendurchmesserbegrenzungen 84, 86 beabstandet sein. Diesbezüglich enthalten die kreisförmigen Schweißstrecken 820 eine äußerste kreisförmige Schweißstrecke 820', die der Außendurchmesserbegrenzung 84 der ringförmigen Schweißfläche 82 am nächsten liegt, und eine innerste kreisförmige Schweißstrecke 820", die der Innendurchmesserbegrenzung 86 am nächsten liegt. Die elliptischen Schweißstrecken 822 enthalten ähnlich angeordnete äußerste und innerste elliptische Schweißstrecken 822', 822". Die in 5-5A veranschaulichten Ausführungsformen der Strahlbewegungsmuster 74 enthalten vorzugsweise zwischen zwei und zwanzig Schweißstrecken 820, 822 oder enger gefasst zwischen drei und acht Schweißstrecken 820, 822. Und wie die spiralförmige Schweißstrecke 800 von 4 liegt die Distanz (d) zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten A, B auf benachbarten kreisförmigen oder elliptischen Schweißstrecken 820, 822 (oder die Schrittgröße) vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 mm bis 0,8 mm.
In der Tat werden andere Ausführungsformen des Strahlbewegungsmusters 74 zusätzlich zu denjenigen, die in 4 und 5-5A gezeigt sind, in Betracht gezogen. In einer derartigen Ausführungsform ist das in 6 veranschaulichte Strahlbewegungsmuster 74 eine Rollkurvenschweißstrecke in der Form einer epitrochoiden Schweißstrecke 824. Die epitrochoide Schweißstrecke 824 kann durch eine Strecke repräsentiert werden, die einem Punkt P folgt, der am Ursprung O eines rotierenden Kreises 826 mit Radius R angebracht ist, welcher um die Außenseite eines festen Kreises 828 herum rollt. Wenn sich der rotierende Kreis 826 im Uhrzeigersinn um den festen Kreis 828 so herum dreht, dass der Umfang des rotierenden Kreises 826 den Umfang des festen Kreises 828 berührt, bewegt sich der Punkt P zusammen mit dem Kreis 826 und erzeugt die epitrochoide Schweißstrecke 824, die in 6 dargestellt ist. Der rotierende Kreis 826 kann sich entlang des festen Kreises 828 so drehen, dass er den Punkt P kontinuierlich um die zentrale Fläche 88 in der ringförmigen Schweißfläche 82 herumbewegt. Andere epitrochoide Schweißstrecken, die andere Gestalten als diejenige aufweisen, die in 6 gezeigt ist, können erzeugt werden, indem die Distanz zwischen Punkt P und Ursprung O des rotierenden Kreises 826 verändert wird, indem der Radius R des rotierenden Kreises 826 verändert wird und/oder indem der Durchmesser des festen Kreises 828 verändert wird.
Der Laserstrahl 24 kann entlang der nicht linearen Schweißstrecke(n) 80 des Strahlbewegungsmusters 74 in einer Vielfalt von Weisen voranbewegt werden. Zum Beispiel kann mit Bezug auf die in 4 gezeigte spiralförmige Schweißstrecke der Laserstrahl 24 von dem festen Außenpunkt 804, der am nächsten bei der Außendurchmesserbegrenzung 84 liegt, und um die mehreren Windungen der spiralförmigen Schweißstrecke 800 herum voranbewegt werden, bis er schließlich bei dem festen Innenpunkt 802 stoppt, der der Innendurchmesserbegrenzung 86 am nächsten liegt. Als weiteres Beispiel kann der Laserstrahl 24 bezüglich der kreisförmigen und elliptischen Schweißstrecken 820, 822, die in 5-5A gezeigt sind, in eine Richtung radial nach innen von einer äußersten Schweißstrecke 820', 822', die der Außendurchmesserbegrenzung 84 am nächsten liegt, zu der innersten Schweißstrecke 820", 822", die der Innendurchmesserbegrenzung 86 am nächsten liegt, voranbewegt werden. Das Voranbewegen des Laserstrahls 24 in eine Richtung radial nach innen innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 82 - speziell, wenn die nicht lineare Schweißstrecke(n) 80 eine spiralförmige Schweißstrecke 800 oder eine Vielzahl von kreisförmigen/elliptischen Schweißstrecken 820, 822 ist/sind - ist allgemein bevorzugt, da die mustergestützte Bewegung nach innen des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 74 dazu beiträgt, die Festigkeit der Schweißverbindung 72 zu verbessern, indem Porositäten und andere Schweißdefekte, die sich entwickeln können, zu einem Bereich der Schweißverbindung 72 unter der zentralen Fläche 88 getrieben oder abgeführt werden, wo es weniger wahrscheinlich ist, dass sie die Festigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Verbindung 72 nachteilig beeinflussen.
Wenn der Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang des Strahlbewegungsmusters 74 voranbewegt wird, werden das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze folglich entlang einer entsprechenden Route relativ zu der oberen Oberfläche 20 verschoben, da sie der Bewegung des Laserstrahls 24 folgen, wie in 2-3 am besten veranschaulicht ist. Auf diese Weise hinterlässt das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze im Moment eine Spur aus geschmolzenem Aluminiumwerkstückmaterial im Kielwasser der Bewegungsstrecke des Laserstrahls 24 und der entsprechenden Route des Schmelzbads 76. Diese Spur aus geschmolzenem Aluminiumwerkstückmaterial kühlt sich schließlich ab und erstarrt zu wieder erstarrtem Aluminiumverbundwerkstückmaterial 90 (2-3), das aus Aluminiummaterial von jedem der Werkstücke 12, 14 aus Aluminium (und 42, falls vorhanden) besteht, in das das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze eingedrungen ist. Schließlich wird, wenn der Laserstrahl 24 das Nachverfolgen des Strahlbewegungsmusters 74 beendet hat, das Übertragen des Laserstrahls 24 beendet. Zu diesem Zeitpunkt kollabiert das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze erstarrt. Das gesamte wiedererstarrte Aluminiumverbundwerkstückmaterial 90, das durch das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 74 erhalten wurde, bildet die Schweißverbindung 72.
Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des umgebenden Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze wird während des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 74 gesteuert, um sicherzustellen, dass die Werkstücke 12, 14 (und optional 42) aus Aluminium durch die Schweißverbindung 72 am Schweißort 16 miteinander durch eine Schweißnaht verbunden werden. Im Speziellen, wie vorstehend erwähnt wurde und in 2-3 am besten gezeigt ist, schneiden das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze jede Stoßschnittstelle 34 (oder 50, 52), die in dem Werkstückstapel 10 zwischen der oberen und unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 vorhanden ist, während des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 74. Das bedeutet, dass das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze die Dicke des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium (und die Dicke des dritten Werkstücks 42 aus Aluminium, falls vorhanden) vollständig durchqueren, während sie in einer bevorzugten Ausführungsform die Dicke des zweiten Werkstücks 14 aus Aluminium nur teilweise durchqueren, sodass sie sich nicht bis zu der unteren Oberfläche 22 erstrecken und diese durchbrechen. Indem veranlasst wird, dass das Schlüsselloch 78 und das Schmelzbad 76 aus Aluminiumschmelze weit genug in den Werkstückstapel 10 eindringen, dass sie jede Stoßschnittstelle 34 (50, 52) schneiden, dient das wieder erstarrte Aluminiumverbundwerkstückmaterial 90, das durch Voranbewegen des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters 74 erzeugt wurde, zum autogenen Verbinden der Werkstücke 12, 14 (und optional 42) aus Aluminium miteinander durch eine Schweißnaht.
Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des umgebenden Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze kann durch verschiedene Laserschweißprozessparameter gesteuert werden, die das Leistungsniveau des Laserstrahls 24, die Position des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse des Strahls 24 relativ zum Werkstückstapel 10 (d.h. die Brennpunktposition) und die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 umfassen, wenn er entlang des Strahlbewegungsmusters 74 voranbewegt wird. Diese Laserstrahlparameter können in einen Schweißcontroller programmiert werden, der zum Ausführen von Anweisungen in der Lage ist, welche die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des umgebenden Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze mit Präzision vorgeben. Obwohl die verschiedenen Prozessparameter des Laserstrahls 24 in Verbindung miteinander augenblicklich verändert werden können, um die Eindringtiefe des Schlüssellochs 78 und des Schmelzbads 76 aus Aluminiumschmelze an einem beliebigen speziellen Abschnitt des Strahlbewegungsmusters 74 zu erreichen, kann in vielen Fällen unabhängig von dem Profil des Strahlbewegungsmusters 74 das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 auf zwischen 0,2 kW und 50 kW oder enger gefasst zwischen 1 kW und 10 kW gesetzt werden, die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 kann auf zwischen 2 m/min und 120 m/min oder enger gefasst zwischen 8 m/min und 50 m/min gesetzt werden, und der Brennpunkt 62 des Laserstrahls 24 kann auf zwischen 30 mm über der oberen Oberfläche 20 (auch der Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Aluminium) des Werkstückstapels 10 und 30 mm unter der oberen Oberfläche 20 gesetzt werden.
Das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 74 soll eine gute und wiederholbare Festigkeit für die Schweißverbindung 72 verleihen, im Speziellen eine Abschäl- und Querspannungsfestigkeit, indem die Verbreitung von Schweißdefekten minimiert wird, die aus der schützenden Oberflächenbeschichtung 40 hergeleitet werden, welche auf einem oder mehreren der Werkstücke 12, 14 (und optional 42) aus Aluminium vorhanden ist. Ohne Bindung an eine Theorie vermutet man, dass das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der einen oder der mehreren nicht linearen Schweißstrecken 80 des Strahlbewegungsmusters 74 innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 82, ohne auf die zentrale Fläche 88 aufzutreffen, eine eingeschlossene Porosität oder andere Defekte, die von Wasserstoffgas und/oder Resten der Schutzbeschichtungen stammen, nach innen in einen Bereich der Schweißverbindung 72 unter der zentralen Fläche 88 auf der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels 10 durch Wärmeleitungsübertragung zwingt. Die Konzentration der Porosität und anderer Schweißdefekte unter der zentrale Fläche 88 ist tolerierbar, da eine zentral angeordnete Porosität weniger wahrscheinlich die mechanischen Eigenschaften der Laserpunktschweißverbindung 72 beeinflussen wird als eine Porosität, die am Umfang der Schweißverbindung 72 angeordnet ist.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und speziellen Beispielen ist lediglich beschreibender Natur; sie soll den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Allen Begriffen, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, soll ihre gewöhnliche und geläufige Bedeutung verliehen werden, sofern es nicht speziell und eindeutig in der Beschreibung anderweitig angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0005]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Aluminium und ein zweites Werkstück aus Aluminium umfasst, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Aluminium eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel hergestellt wird, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel eine schützende Oberflächenbeschichtung enthält; ein Laserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin in den Werkstückstapel eindringt und jede Stoßschnittstelle schneidet, die in dem Werkstückstapel hergestellt wurde; und eine Laserschweißverbindung ausgebildet wird, indem der Laserstrahl relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird, das innerhalb einer ringförmigen Schweißfläche liegt, die durch eine Innendurchmesserbegrenzung und eine Außendurchmesserbegrenzung auf der Ebene der oberen Oberfläche definiert ist, wobei das Strahlbewegungsmuster des Laserstrahls eine zentrale Fläche auf der Ebene der oberen Oberfläche umgibt, die von der ringförmigen Schweißfläche umgeben ist, um eingeschlossene Porositäten nach innen in einen Bereich der Schweißverbindung unter der zentralen Fläche auf der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zu zwingen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Aluminium eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei sich die erste und zweite Stoßfläche des ersten und zweiten Werkstücks aus Aluminium überlappen und einander gegenüberliegen, um eine erste Stoßschnittstelle herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Aluminium eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Werkstück aus Aluminium umfasst, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Aluminium gelegen ist, wobei das dritte Werkstück aus Aluminium einander entgegengesetzte Stoßflächen aufweist, von denen eine sich mit der ersten Stoßfläche des ersten Werkstücks aus Aluminium überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle herzustellen, und die andere von diesen sich mit der zweiten Stoßfläche des zweiten Werkstücks aus Aluminium überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Voranbewegen des Laserstrahls durch einen optischen Laserabtastkopf ausgeführt wird, der kippbare Abtastspiegel aufweist, deren Bewegungen koordiniert werden, um den Laserstrahl relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang des Strahlbewegungsmusters in der ringförmigen Schweißfläche zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl ein Faserlaserstrahl, ein Scheibenlaserstrahl oder ein Direktdioden-Laserstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit voranbewegt wird, die im Bereich von 8 m/min bis 120 m/min liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Strahlbewegungsmuster eine spiralförmige Schweißstrecke umfasst, die sich von einem festen Innenpunkt in der Nähe der Innendurchmesserbegrenzung aus zu einem festen Außenpunkt in der Nähe der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche herumdreht und sich in eine radiale Richtung nach außen ausdehnt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Schrittgröße zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten auf jedem Paar benachbarter Windungen der spiralförmigen Schweißstrecke größer als 0,01 mm und kleiner als 0,8 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Laserstrahl in eine Richtung radial nach innen entlang der spiralförmigen Schweißstrecke von dem festen Außenpunkt nahe bei der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche zu dem festen Innenpunkt nahe bei der Innendurchmesserbegrenzung voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Strahlbewegungsmuster eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen oder elliptischen Schweißstrecken umfasst, die um die zentrale Fläche herum konzentrisch angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Schrittgröße zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten auf jedem Paar benachbarter kreisförmiger oder elliptischer Schweißstrecken größer als 0,01 mm und kleiner als 0,8 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Laserstrahl entlang der Vielzahl kreisförmiger oder elliptischer Schweißstrecken in eine Richtung radial nach innen von einer äußersten Schweißstrecke nahe bei der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche zu einer innersten Schweißstrecke nahe bei der Innendurchmesserbegrenzung voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Durchmesser der Innendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche in einem Bereich von 1 mm bis 12 mm liegt und ein Durchmesser der Außendurchmesserbegrenzung in einem Bereich von 3 mm bis 15 mm liegt.
Verfahren zum Laserscheißen eines Werkstückstapels aus der Ferne, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Aluminium enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Aluminium und ein zweites Werkstück aus Aluminium umfasst, wobei das erste Werkstück aus Aluminium eine obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Aluminium eine untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter, sich überlappender Werkstücke aus Aluminium innerhalb des Werkstückstapels hergestellt wird, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Aluminium in dem Werkstückstapel eine schützende Oberflächenbeschichtung enthält; ein optischer Laserabtastkopf betrieben wird, um einen Festkörperlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels zu lenken, um ein Schmelzbad aus Aluminiumschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin in den Werkstückstapel eindringt, wobei der Festkörperlaserstrahl eine Brennweite zwischen 0,4 Meter und 2,0 Meter aufweist; und die Bewegung von kippbaren Abtastspiegeln in dem optischen Laserabtastkopf koordiniert wird, um den Laserstrahl relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters voran zu bewegen, das innerhalb einer ringförmigen Schweißfläche liegt, die durch eine Innendurchmesserbegrenzung und eine Außendurchmesserbegrenzung auf der Ebene der oberen Oberfläche definiert ist, wobei das Strahlbewegungsmuster des Laserstrahls eine zentrale Fläche umgibt, die von der ringförmigen Schweißfläche auf der Ebene der oberen Oberfläche umgeben ist, um eingeschlossene Porositäten nach innen in einen Bereich der Schweißverbindung unter der zentralen Fläche zu zwingen und wobei der Laserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit voranbewegt wird, die in einem Bereich von 8 m/min bis 120 m/min liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Werkstückstapel nur das erste und das zweite Werkstück aus Aluminium enthält, oder wobei der Werkstückstapel ferner ein drittes Werkstück aus Aluminium enthält, das zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück aus Aluminium angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Festkörperlaserstrahl während des Voranbewegens entlang des Strahlbewegungsmusters ein Leistungsniveau aufweist, das in einem Bereich von 0,2 kW bis 50 kW liegt, und ein Brennpunkt des Festkörperlaserstrahls zwischen 50 mm unter der unteren Oberfläche des Werkstückstapels und 50 mm über der oberen Oberfläche des Werkstückstapels an einer Längsachse des Laserstrahls positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Festkörperlaserstrahl ein Faserlaserstrahl, ein Scheibenlaserstrahl oder ein Direktdioden-Laserstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Strahlbewegungsmuster eine spiralförmige Schweißstrecke umfasst, die sich von einem festen Innenpunkt in der Nähe der Innendurchmesserbegrenzung aus zu einem festen Außenpunkt in der Nähe der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche dreht und sich radial nach außen ausdehnt, wobei eine Schrittgröße zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten auf jedem Paar benachbarter Windungen der spiralförmigen Schweißstrecke größer als 0,01 mm und kleiner als 0,8 mm ist, und wobei der Festkörperlaserstrahl entlang der spiralförmigen Schweißstrecke von dem festen Außenpunkt in der Nähe der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche zu dem festen Innenpunkt in der Nähe der Innendurchmesserbegrenzung voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Strahlbewegungsmuster eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen oder elliptischen Schweißstrecken umfasst, die um die zentrale Fläche herum konzentrisch angeordnet sind, wobei eine Schrittgröße zwischen den in radialer Richtung ausgerichteten Punkten auf jedem Paar benachbarter kreisförmiger oder elliptischer Schweißstrecken größer als 0,01 mm und kleiner als 0,8 mm ist, und wobei der Festkörperlaserstrahl entlang der Vielzahl von kreisförmigen oder elliptischen Schweißstrecken in eine Richtung radial nach innen von einer äußersten Schweißstrecke in der Nähe der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche zu einer innersten Schweißstrecke in der Nähe der Innendurchmesserbegrenzung voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Durchmesser der Innendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche in einem Bereich von 1 mm bis 12 mm liegt und ein Durchmesser der Außendurchmesserbegrenzung in einem Bereich von 3 mm bis 15 mm liegt.