DE112016006580T5

DE112016006580T5 - INTEGRIERTES VORBOHREN UND LASERPUNKTSCHWEIßEN VON BESCHICHTETEN STÄHLEN

Info

Publication number: DE112016006580T5
Application number: DE112016006580.9T
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: 2018-12-06
Also published as: CN109153097A; US20200316714A1; WO2017177411A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels (10) umfasst, dass zu Beginn mindestens ein Loch (74) in dem Werkstückstapel ausgebildet wird und danach ein Laserpunktschweißverbindung (86) ausgebildet wird. Die Ausbildung der Laserpunktschweißverbindung umfasst das Lenken eines Schweißlaserstrahls (24) auf die obere Oberfläche (20) des Werkstückstapels, um ein Schmelzbad (98) aus Stahlschmelze zu erzeugen, das in den Stapel eindringt, und dann das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters (102), das innerhalb einer ringförmigen Schweißfläche (90) liegt. Das Strahlbewegungsmuster des Schweißlaserstrahls umgibt eine zentrale Fläche (96) auf der Ebene der oberen Oberfläche, die das mindestens eine Loch überspannt, das in dem Werkstückstapel ausgebildet ist. Der Werkstückstapel enthält mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Stahl, wobei mindestens eines davon eine Oberflächenbeschichtung aus einem zinkbasierten Material enthält. Dieses Verfahren kann Porositäten innerhalb der Schweißverbindung minimieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und spezieller ein Verfahren zum Zusammenschweißen von zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Stahl durch Laserpunktschweißen, bei dem mindestens eines der Werkstücke aus Stahl eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung enthält.
HINTERGRUND
Das Laserpunktschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei dem ein Laserstrahl auf einen Werkstückstapel aus Metall gelenkt wird, um eine konzentrierte Energiequelle bereitzustellen, die zum Bewirken einer Schweißverbindung zwischen den sich überlappenden beteiligten Werkstücken aus Metall in der Lage ist. Allgemein werden zunächst zwei oder mehr Werkstücke aus Metall relativ zueinander ausgerichtet und gestapelt, so dass sich ihre Stoßflächen überlappen und einander gegenüberliegen, um eine (oder mehrere) Stoßschnittstellen herzustellen, die sich durch einen beabsichtigten Schweißort hindurch erstrecken. Dann wird ein Laserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt und trifft darauf auf. Die aus der Absorption von Energie aus dem Laserstrahl erzeugte Wärme leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall ein und erzeugt ein Schmelzbad in dem Werkstückstapel. 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 in dem Werkstückstapel stammt, die Plasma enthalten kann.
Der Laserstrahl erzeugt das Schmelzbad in sehr kurzer Zeit nach dem Auftreffen auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels. Nach der Erzeugung wächst das Schmelzbad an, da der Laserstrahl damit fortfährt, Energie an den Werkstückstapel zu liefern. Das Schmelzbad wächst schließlich so, dass es durch das Werkstück aus Metall hindurchdringt, auf das der Laserstrahl auftritt, und in das oder die darunterliegenden Werkstücke aus Metall bis zu einer Tiefe hinein, dass jede der hergestellten Stoßschnittstellen geschnitten wird. Die allgemeine Gestalt und Eindringtiefe des Schmelzbads kann durch Steuern von verschiedenen Eigenschaften des Laserstrahls gelenkt werden, welche dessen Leistung, dessen Verfahrgeschwindigkeit (falls vorhanden) und dessen Brennpunktposition umfassen. Wenn sich das Schmelzbad stabilisiert hat und die gewünschte Eindringtiefe in den Werkstückstapel erreicht hat und optional entlang der oberen Oberfläche des Stapels voran bewegt wurde, wird die Übertragung des Laserstrahls beendet, so dass er am Schweißort nicht länger auf den Stapel auftritt. Das Schmelzbad kühlt schnell ab und erstarrt (und das Schlüsselloch, falls vorhanden, kollabiert), um eine Laserpunktschweißverbindung zu bilden, die aus wiedererstarrtem Verbundwerkstückmaterial besteht, das von jedem der Werkstücke stammt, in die das Schmelzbad eingedrungen ist. Das wiedererstarrte Verbundwerkstückmaterial der Laserpunktschweißverbindung verschweißt die sich überlappenden Werkstücke am Schweißort autogen miteinander.
Die Kraftfahrzeugindustrie zeigt Interesse am Verwenden des Laserpunktschweißens zum Herstellen von Teilen, die in ein Fahrzeug installiert werden können. In einem Beispiel kann der Korpus einer Fahrzeugtür aus einem Türinnenblech und einem Türaußenblech hergestellt werden, die durch eine Vielzahl von Laserpunktschweißverbindungen miteinander zusammengefügt werden. Die Türinnen- und -außenbleche werden zunächst relativ zueinander gestapelt und durch Klammern ortfest befestigt. Dann wird ein Laserstrahl sequentiell auf mehrere Schweißorte um die gestapelten Bleche herum gemäß einer programmierten Sequenz gelenkt, um die Vielzahl von Laserpunktschweißverbindungen wie vorstehend beschrieben auszubilden. Der Prozess des Laserpunktschweißes von Türinnen- und -außenblechen - sowie von anderen Fahrzeugteilkomponenten wie denjenigen, die zum Herstellen von Motorhauben, Kofferraumdeckeln, Karosseriestrukturen wie Seiten- und Querstreben von Karosserien, Last tragenden Strukturelementen usw. verwendet werden - ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann. Das vorstehende erwähnte Interesse am Laserpunktschweißen von Werkstücken aus Metall ist nicht nur auf die Kraftfahrzeugindustrie begrenzt; in der Tat erstreckt es sich auf andere Industrien, die das Laserpunktschweißen möglicherweise nutzen wollen, welche unter anderem die Flugzeugindustrie, die Schifffahrtsindustrie, die Eisenbahnindustrie und die Bauindustrie umfassen.
Die Verwendung des Laserpunktschweißens zum Verbinden von beschichteten Werkstücken aus Metall, die in der Herstellungspraxis oft verwendet werden, kann zu Problem führen. Zum Beispiel enthalten Werkstücke aus Stahl oft eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung als Korrosionsschutz. Zink weist einen Siedepunkt bei etwa 906°C auf, während der Schmelzpunkt des Stahlbasissubstrats, das es beschichtet, typischerweise größer als 1300°C ist. Wenn folglich ein Werkstück aus Stahl, das eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung enthält, mit Laser punktgeschweißt wird, können sich leicht Hochdruck-Zinkdämpfe an den Oberflächen des Werkstücks aus Stahl bilden, welche die Tendenz aufweisen, den Laserschweißprozess zu stören. Im Speziellen werden die Zinkdämpfe, die an der oder den Stoßschnittstellen der Werkstücke aus Stahl erzeugt werden, gezwungen, in und durch das Schmelzbad hindurch zu diffundieren, das durch den Laserstrahl erzeugt wird, sofern nicht ein alternativer Fluchtweg durch den Werkstückstapel hindurch bereitgestellt wird. Wenn kein angemessener Fluchtweg bereitgestellt wird, kann es sein, dass Zinkdämpfe in dem Schmelzbad gefangen bleiben, während es abkühlt und erstarrt, was zu Defekten in der resultierenden Schweißverbindung führen kann - etwa eingeschlossene Porositäten - die die mechanischen Eigenschaften der Laserpunktschweißverbindung in einem derartigen Ausmaß verschlechtern können, dass die Verbindung als nicht angemessen angesehen werden kann.
Um zu verhindern, dass Hochdruck-Zinkdämpfe in das Schmelzbad hinein diffundieren, haben herkömmliche Fertigungsprozeduren eine Ritzenbildung durch Laser oder eine mechanische Dellenbildung an mindestens einem der zwei Werkstücke aus Stahl an jeder Stoßschnittstelle eingesetzt, an der eine zinkbasierte Beschichtung vorhanden ist, bevor das Laserpunktschweißen ausgeführt wird. Die Ritzenbildung durch Laser oder der mechanische Dellenbildungsprozess erzeugen voneinander beabstandete vorspringende Merkmale, die zwischen der Stoßfläche, auf welcher sie ausgebildet wurden, und der dieser gegenüberliegenden Stoßfläche des benachbarten Werkstücks aus Stahl einen Spalt von etwa 0,1 bis 0,2 mm herstellen, der einen Fluchtweg bereitstellt, um Zinkdämpfe entlang der hergestellten Stoßschnittstelle und vom Schweißort weg zu leiten. Aber das Ausbilden dieser vorspringenden Merkmale fügt einen zusätzlichen Schritt zum Gesamtprozess des Laserpunktschweißens hinzu und man vermutet, dass es zum Auftreten von „Undercut“-Schweißpunkten beiträgt. Es wäre eine willkommene Erweiterung der Technik, wenn zwei oder mehr Werkstücke aus Stahl - von denen mindestens eines eine Oberflächenbeschichtung aus einem zinkbasierten Material enthält - durch Laserpunktschweißen miteinander verbunden werden könnten, ohne dass die Notwendigkeit besteht, irgendwelche Werkstücke aus Stahl einzuritzen oder mechanisch mit Dellen zu versehen, um in konsistenter Weise eine haltbare Schweißverbindung mit ausreichender Festigkeit zu bilden.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es wird in Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels offenbart, der sich 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 eine Oberflächenbeschichtung aus einem zinkbasierten Material wie etwa Zink oder einer Zink-Eisen-Legierung. Die zinkbasierte Oberflächenbeschichtung weist vorzugsweise eine Dicke auf, die in einem Bereich von 2 µm bis 30 µm liegt. Und obwohl die zinkbasierte Oberflächenbeschichtung neben anderen erwähnenswerten Vorteilen den darunterliegenden Stahl vor Korrosion schützt, kann sie Hochdruck-Zinkdämpfe entwickeln, wenn sie während des Laserpunktschweißens erhitzt wird. Die Entwicklung derartiger Zinkdämpfe wiederum kann eine Quelle von Porositäten in der Laserpunktschweißverbindung sein und kann auch zu anderen Abnormalitäten wie etwa Spritzern führen. Das offenbarte Laserpunktschweißverfahren minimiert den Einfluss, den zinkbasierte Oberflächenbeschichtungen auf die Laserpunktschweißverbindung aufweisen können, ohne das Praktizieren von bestimmten Prozeduren zu erfordern wie zum Beispiel das absichtliche Aufbringen von Spalten zwischen den Werkstücken aus Stahl an der Stoßschnittstelle, an der die zinkbasierte Oberflächenbeschichtung vorhanden ist, mit Hilfe des Einritzens durch Lasern oder der mechanischen Dellenbildung - diese aber selbstverständlich nicht verbieten.
Zu Beginn umfasst das Laserpunktschweißverfahren das Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält. Die Werkstücke aus Stahl werden derart aneinander gestapelt, dass zwischen den Stoßflächen jedes Paars benachbarter, sich überlappender Werkstücke aus Stahl eine Stoßschnittstelle ausgebildet wird. Zum Beispiel enthält der Werkstückstapel in einer Ausführungsform erste und zweite Werkstücke aus Stahl mit jeweils 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 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 Stoßflächen auf, die zueinander entgegengesetzt orientierten Stoßflächen des dritten Werkstücks aus Stahl überlappen und diesen gegenüberliegen, um zwei Stoßschnittstellen herzustellen. Wenn ein drittes Werkstück aus Stahl vorhanden ist, können das erste und das zweite Werkstück aus Stahl separate und getrennte Teile sein oder alternativ können sie verschiedene Abschnitte des gleichen Teils sein, etwa wenn ein Rand eines Teils über einen freien Rand eines anderen Teils gefaltet wird.
Nachdem der Werkstückstapel bereitgestellt ist, und vor dem Ausführen des Laserpunktschweißens, wird mindestens ein Loch in dem Werkstückstapel ausgebildet. Das mindestens eine Loch erstreckt sich mindestens einen Teil der Strecke durch den Werkstückstapel hindurch und durchquert jede Stoßschnittstelle, die in dem Werkstückstapel hergestellt ist. Folglich kann das mindestens eine Loch von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin teilweise in den Werkstückstapel hineindringen, wobei in diesem Fall das mindestens eine Loch an der oberen Oberfläche offen ist, oder das mindestens eine Loch kann von der unteren Oberfläche aus zu der oberen Oberfläche hin teilweise in den Werkstückstapel eindringen, wobei in diesem Fall das mindestens eine Loch an der unteren Oberfläche offen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform jedoch durchdringt das mindestens eine Loch den Werkstückstapel vollständig und ist daher sowohl an der oberen Oberfläche als auch an der unteren Oberfläche des Werkstückstapels offen. Und obwohl die Anzahl der Löcher, die in dem Werkstückstapel ausgebildet werden, variieren kann, liegt die Anzahl der Löcher in vielen Fällen in einem Bereich von Eins bis Acht in Abhängigkeit von der Größe der Löcher mit Bezug auf die erwartete Größe der auszubildenden Laserschweißverbindung sowie auf die Zusammensetzung der Werkstücke aus Stahl im Stapel.
Im Anschluss an das Ausbilden des mindestens einen Lochs wird ein Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt und trifft darauf auf, um ein Schmelzbad aus Stahlschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche aus in Richtung der unteren Oberfläche in den Werkstückstapel eindringt. Die Leistungsdichte des Schweißlaserstrahls wird so gewählt, dass der Laserpunktschweißabschnitt des offenbarten Verfahrens, in welchem die Laserschweißverbindung ausgebildet wird, entweder im Konduktions-Schweißmodus oder im Schlüsselloch-Schweißmodus ausgeführt wird. Im Konduktions-Schweißmodus ist die Leistungsdichte des Schweißlaserstrahls relativ gering und die Energie des Schweißlaserstrahls wird als Wärme durch die Werkstücke aus Stahl geleitet, um nur das Schmelzbad aus Stahlschmelze zu erzeugen. Im Schlüsselloch-Schweißmodus hingegen ist die Leistungsdichte des Schweißlaserstrahls hoch genug, um die Werkstücke aus Stahl zu verdampfen und ein Schlüsselloch direkt unter dem Schweißlaserstrahl in dem Schmelzbad aus Stahlschmelze zu erzeugen. Das Schlüsselloch stellt eine Leitung zur Energieabsorption tiefer in den Werkstückstapel hinein bereit, welche wiederum ein tieferes und schmaleres Eindringen des Schmelzbads aus Stahlschmelze ermöglicht. Das Schmelzbad aus Stahlschmelze und das Schlüsselloch, falls es ausgebildet wird, können den Werkstückstapel vollständig oder teilweise durchdringen.
Der Schweißlaserstrahl wird im Anschluss an die Erzeugung des Schmelzbads und optional des Schlüssellochs relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters voran bewegt. Das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters verschiebt das Schlüsselloch und das Schmelzbad aus Stahlschmelze entlang einer Route, die der mustergestützten Bewegung des Schweißlaserstrahls relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entspricht. Dieses Voranbewegen des Schweißlaserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters hinterlässt im Kielwasser des Schweißlaserstrahls und der entsprechenden Route des Schmelzbads aus Stahlschmelze eine Spur aus geschmolzenem Stahlwerkstückmaterial. Diese Spur aus geschmolzenem Stahlwerkstückmaterial kühlt schnell ab und erstarrt zu wiedererstarrtem Stahlverbundwerkstückmaterial, das aus Stahlmaterial von jedem Werkstück aus Stahl aus besteht, in das das Schmelzbad aus Stahlschmelze eingedrungen ist. Das gesamte wiedererstarrte Stahlverbundwerkstückmaterial, das durch das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters erhalten wird, stellt eine Laserpunktschweißverbindung bereit, die die Werkstücke autogen miteinander verschweißt. Nachdem das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters abgeschlossen ist, wird der Schweißlaserstrahl von der oberen Oberfläche des Werkstückstapels entfernt, typischerweise, indem die Übertragung des Schweißlaserstrahls angehalten wird, um die Energieübertragung auf den Werkstückstapel zu beenden.
Das Strahlbewegungsmuster, dem der Schweißlaserstrahl folgt, enthält eine oder mehrere Schweißstrecken, die innerhalb einer ringförmigen Schweißfläche liegen, wenn sie auf die Ebene (die x-y-Ebene) der oberen Oberfläche des Werkstückstapels projiziert werden. Die ringförmige Schweißfläche ist durch eine Außendurchmesserbegrenzung und eine Innendurchmesserbegrenzung definiert. Das Strahlbewegungsmuster des Schweißlaserstrahls umgibt eine zentrale Fläche, die von der ringförmigen Schweißfläche - spezieller von der Innendurchmesserbegrenzung 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 Formen möglich sind. Wenn sich der Schweißlaserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters innerhalb der ringförmigen Schweißfläche bewegt, tut er dies, ohne auf die zentrale Fläche aufzutreffen. Dieser Typ der mustergestützten Bewegung des Schweißlaserstrahls weist den Effekt auf, dass alle Zinkdämpfe, die durch Erwärmen der einen oder der mehreren zinkbasierten Oberflächenbeschichtungen, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, erzeugt werden, in Richtung auf das mindestens eine Loch getrieben werden, so dass die Zinkdämpfe aus dem Stapel schnell entlüftet werden können. Als Folge des Leitens von Zinkdämpfen in Richtung auf das mindestens eine Loch und des Austreibens dieser Dämpfe aus dem Stapel ist das wiedererstarrte Stahlverbundwerkstückmaterial, das die Laserschweißverbindung bildet, weniger dafür anfällig, dass einen schwächenden Betrag an eingeschlossenen Porositäten enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne verwendet, um sowohl das mindestens eine Loch als auch die Laserpunktschweißverbindung in dem Werkstückstapel auszubilden. Die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne enthält einen optischen Laserabtastkopf, der optische Komponenten beherbergt, die den Laserstrahl relativ zu der Ebene auf der oberen Oberfläche des Werkstückstapels bewegen können und außerdem einen Brennpunkt des Laserstrahls nach oder nach unten entlang einer Längsachse des Laserstrahls verstellen können. Folglich können unterschiedliche Laserstrahlen von dem optischen Laserabtastkopf übertragen werden, um der Reihe nach das mindestens eine Loch und die Laserpunktschweißverbindung auszubilden. Speziell wird zum Ausbilden des mindestens einen Lochs ein Vor-Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt und trifft darauf auf. Der Vor-Schweißlaserstrahl ist mit einem geeigneten Leistungspegel ausgestattet und kann in der Ebene der oberen Oberfläche bewegt werden und/oder der Brennpunkt des Vor-Schweißlaserstrahls kann entlang der Längsachse des Strahls bewegt werden, um Stahlschmelze aus dem Werkstück auszutreiben, wodurch ein Loch geschaffen wird, das vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, den Werkstückstapel vollständig durchdringt, indem es sich von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche erstreckt und an jeder dieser Oberflächen offen ist. Es kann ein Loch oder es können mehrere Löcher gebildet werden. Nachdem das mindestens eine Loch mit dem Vor-Schweißlaserstrahl ausgebildet wurde, wird der Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels in der ringförmigen Schweißfläche gelenkt und trifft darauf auf und er wird entlang des Strahlbewegungsmusters voranbewegt, um die Laserpunktschweißverbindung auszubilden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne zum Ausbilden mindestens eines Lochs in einem Werkstückstapel, der sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält, gefolgt von dem Ausbilden einer Laserpunktschweißverbindung;
1A ist eine vergrößerte Ansicht des allgemeinen Laserstrahls, der in 1 dargestellt ist, die einen Brennpunkt und eine Strahlenlängsachse des allgemeinen Laserstrahls zeigt;
2 ist eine Draufsicht auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels, die die Verwendung eines Vor-Schweißlaserstrahls veranschaulicht, um das mindestens eine Loch auszubilden, und anschließend die Verwendung eines Schweißlaserstrahls, um die Laserpunktschweißverbindung auszubilden, und wobei sowohl der Vor-Schweißlaserstrahl als auch der Schweißlaserstrahl von der Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels übertragen werden;
3 ist eine Querschnittsansicht (entlang einer Linie 3-3) des in 2 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit dem mindestens einen Loch, das in dem Werkstückstapel durch den Vor-Schweißlaserstrahl ausgebildet wurde;
4 ist eine Querschnittsansicht (entlang einer Linie 4-4) des in 2 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Stahlschmelze und einem Schlüsselloch, die von dem Schweißlaserstrahl im Anschluss an die Ausbildung des mindestens einen Lochs durch den Vor-Schweißlaserstrahl erzeugt werden;
5 stellt eine Ausführungsform des auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Schweißlaserstrahl folgen kann, und dem daher das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Stahlschmelze während der Ausbildung einer Laserpunktschweißverbindung zwischen den sich überlappenden Werkstücken aus Stahl, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen;
6 stellt eine andere Ausführungsform des auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Schweißlaserstrahl folgen kann und dem daher das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Stahlschmelze während der Ausbildung einer Laserpunktschweißverbindung zwischen den sich überlappenden Werkstücken aus Stahl, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen;
7 stellt noch eine andere Ausführungsform eines auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, das dem in 6 gezeigten Strahlbewegungsmuster ähnelt;
8 stellt noch eine weitere Ausführungsform des auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Schweißlaserstrahl folgen kann, und dem folglich ein Schlüsselloch und ein umgebendes Schmelzbad aus Stahlschmelze während der Ausbildung einer Laserpunktschweißverbindung zwischen den sich überlappenden Werkstücken aus Stahl, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen;
9 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Werkstückstapels aus der gleichen Perspektive wie 3 zusammen mit dem mindestens einen Loch, das in dem Werkstückstapel durch den Vor-Schweißlaserstrahl ausgebildet wurde, 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, wie in 3 dargestellt ist; und
10 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Werkstückstapels aus der gleichen Perspektive wie 4 zusammen mit einem Schmelzbad aus Stahlschmelze und einem Schlüsselloch, die von dem Schweißlaserstrahl im Anschluss an die Ausbildung des mindestens einen Lochs durch den Vor-Schweißlaserstrahl erzeugt werden, obwohl der Werkstückstapel hier drei Werkstücke aus Stahl enthält, die zwei Stoßschnittstellen herstellen, im Gegensatz zu zwei Werkstücken aus Stahl, die eine einzige Stoßschnittstelle herstellen, wie in 4 dargestellt ist.

GENAUE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Stahl besteht, umfasst erstens das Ausbilden mindestens eines Lochs in dem Werkstückstapel, welches jede Stoßschnittstelle schneidet, die in dem Werkstückstapel hergestellt wurde, und zweitens das Ausbilden einer Laserpunktschweißverbindung, indem ein Schweißlaserstrahl auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels auftreffen gelassen wird und der Schweißlaserstrahl relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche entlang eines Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird, das auf eine ringförmige Schweißfläche beschränkt ist. Die ringförmige Schweißfläche und damit das Strahlbewegungsmuster umgibt eine zentrale Fläche, die das mindestens eine Loch überspannt, das zuvor im Werkstückstapel ausgebildet wurde. Diese mustergestützte Bewegung des Schweißlaserstrahls innerhalb der ringförmigen Schweißfläche treibt Zinkdämpfe, die möglicherweise durch die Hitze des Schweißlaserstrahl erzeugt werden können, zu dem mindestens einen Loch hin, um eingebrachte Porositäten in dem wiedererstarrten Stahlverbundwerkstückmaterial, welches die Laserpunktschweißverbindung bildet, zu begrenzen oder vollständig zu beseitigen. Wenn irgendwelche Porositäten vorhanden sind, weist die konduktive Wärmeübertragung, die während des Laserschweißens von der ringförmigen Schweißfläche aus radial nach innen abstrahlt, in der Tat den Effekt auf, dass Porositäten in eine Region der Laserpunktschweißverbindung unter der zentralen Fläche auf der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels gespült werden. Dies ist erwähnenswert, da es weniger wahrscheinlich ist, das zentral angeordnete Porositäten die mechanischen Eigenschaften der Laserpunktschweißverbindung verglichen mit Porositäten beeinträchtigen, die am Umfang der Verbindung angeordnet sind.
Das mindestens eine Loch und die Laserpunktschweißverbindung können durch eine Vielfalt von Techniken unter Verwendung der gleichen oder verschiedener Geräte ausgebildet werden. Beispielsweise kann das mindestens eine Loch durch mechanisches Bohren mit Hilfe eines rotierenden Bohrbits ausgebildet werden oder wie die anschließend ausgebildete Laserpunktschweißverbindung durch Laserschweißen. Jeder Typ von Laserschweißvorrichtung, einschließlich von herkömmlichen Laserschweißvorrichtungen und Vorrichtungen zum Laserschweißen aus der Ferne, kann verwendet werden, um das mindestens eine Loch und die Laserpunktschweißverbindung nacheinander auszubilden, unter Verwendung jeweils eines Vor-Schweißlaserstrahls und eines Schweißlaserstrahls, die sich in ihren Strahleigenschaften unterscheiden (z.B. Leistungspegel, Ort des Brennpunkts, Verfahrgeschwindigkeit usw.). In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Werkstücke aus Stahl, die zusammengefügt werden, und der verwendeten Vorrichtung zum Laserschweißen können sowohl der Vor-Schweißlaserstrahl als auch der Schweißlaserstrahl ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein. Einige erwähnenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein Direktdiodenlaser 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. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, die nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, wird eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben, um sequentiell sowohl das mindestens eine Loch als auch die Laserpunktschweißverbindung durch die Verwendung eines Festkörperlasers auszubilden, der zwischen dem Vor-Schweißlaserstrahl und dem Schweißlaserstrahl wechseln kann.
Das Laserpunktschweißverfahren kann an einer Vielfalt von Werkstückstapelkonfiguationen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einem „2T“-Werkstückstapel verwendet werden (3 - 4), der zwei sich überlappende und aneinander angrenzende Werkstücke aus Stahl enthält, oder es kann in Verbindung mit einem „3T“-Werkstückstapel verwendet werden (9 - 10), der drei sich überlappende und aneinander angrenzende Werkstücke aus Stahl enthält. Des Weiteren kann das offenbarte Verfahren in einigen Fällen in Verbindung mit einem (nicht gezeigten) „4T“-Werkstückstapel verwendet werden, der vier sich überlappende und aneinander angrenzende Werkstücke aus Stahl enthält. Zudem können die mehreren Werkstücke aus Stahl, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, einander ähnliche oder einander unähnliche Festigkeiten und Klassen aufweisen, und sie können wenn gewünscht am Schweißort einander ähnliche oder einander unähnliche Dicken aufweisen. Das Laserpunktschweißverfahren wird auf eine im Wesentlichen gleiche Weise ausgeführt, um die gleichen Ergebnisse unabhängig davon zu erreichen, ob der Werkstückstapel zwei sich überlappende Werkstücke aus Stahl oder mehr als zwei sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält. Alle Unterschiede bei Werkstückstapelkonfigurationen können leicht bewältigt werden, indem die Eigenschaften des Vor-Schweißlaserstrahls (falls verwendet) und des Schweißlaserstrahls verstellt werden, um das gleiche Endergebnis zu erreichen.
Mit Bezug nun auf 1 - 8 ist ein Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels 10 gezeigt, bei dem 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 Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne ausgeführt wird. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl stellen jeweils eine obere Oberfläche 20 und eine untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 steht für die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zur Verfügung und ist für einen Laserstrahl 24 zugänglich, der aus der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne entspringt. Und da nur ein Zugang von einer Seite benötigt wird, um das Laserpunktschweißen auszuführen, besteht keine Notwendigkeit dafür, 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 verfügbar gemacht wird. Obwohl der Einfachheit halber nur ein einziger Schweißort 16 in den Figuren dargestellt ist, wird der Fachmann darüber hinaus feststellen, dass ein Laserschweißen gemäß dem offenbarten Laserpunktschweißverfahren an mehreren verschiedenen Schweißorten praktiziert werden kann, die über den gleichen Werkstückstapel hinweg verteilt sind.
Der Werkstückstapel 10 kann nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl enthalten, wie in 1 und 3 - 4 gezeigt ist. Unter diesen Umständen und wie in 3 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Stahl eine äußere Außenfläche 26 und eine erste Stoßfläche 28 und das zweite Werkstück 14 aus Stahl enthält eine äußere Außenfläche 30 und eine zweite Stoßfläche 32. Die äußere Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl stellt die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bereit und die äußere Außenfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Stahl stellt die entgegengesetzt gerichtete untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Und da die beiden Werkstücke 12, 14 aus Stahl die einzigen 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 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 9 - 10 beschrieben ist, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches Werkstück aus Stahl enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl angeordnet ist, um einen Stapel 10 mit drei Werkstücken aus Stahl statt mit zwei bereitzustellen.
Der Begriff „Stoßschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung weit gefasst verwendet und soll einen großen Bereich von sich überlappenden Beziehungen zwischen den einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßflächen 28, 32 umfassen, die die Praxis des Laserpunktschweißens bewältigen können. Zum Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 dadurch herstellen, dass sie sich in einem direkten oder einem indirekten Kontakt befinden. Die Stoßflächen 28, 32 sind in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht oder durch Spalte getrennt sind, die außerhalb der normalen Montagetoleranzbereiche liegen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt miteinander, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht wie etwa einen Strukturklebstoff getrennt sind - und nicht den Typ der Schnittstellenangrenzung erfahren, der für einen direkten Kontakt typisch ist - 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 Spalte getrennt sind, die absichtlich eingebracht wurden. Diese Spalte können zwischen die Stoßflächen 28, 32 eingebracht werden, indem vorspringende Merkmale an einer oder an beiden Stoßflächen 28, 32 durch Laserritzenbildung, mechanische Dellenbildung oder anderweitig erzeugt werden. Die vorspringenden Merkmale halten sporadische Kontaktpunkte zwischen den Stoßflächen 28, 32 aufrecht, welche die Stoßflächen 28, 32 außerhalb und um die Kontaktpunkte herum um bis zu 1,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm beabstandet halten.
Wie in 3 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Stahl ein erstes Stahlbasissubstrat 36, und das zweite Werkstück 14 aus Stahl enthält ein zweites Stahlbasissubstrat 38. Jedes dieser Stahlbasissubstrate 36, 38 kann separat aus beliebigen einer großen Vielfalt von Stählen bestehen, die kohlenstoffarmen Stahl (üblicherweise auch als Mildstahl bezeichnet), Stahl ohne Einlagerung von Legierungselementen (IF-Stahl), gehärteten Stahl, hochfesten Stahl mit niedriger Legierung (HSLA-Stahl), Zweiphasenstahl (DP-Stahl), Komplexphasenstahl (CP-Stahl), Martensit-Stahl (MART-Stahl), Stahl mit umwandlungsinduzierter Plastizität (TRIP-Stahl), Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl) und Bor-Stahl umfassen, etwa wenn das Werkstück 12, 14 aus Stahl einen pressgehärteten Stahl (PHS) enthält. Darüber hinaus kann sowohl das erste als auch das zweite Stahlbasissubstrat 36, 38 behandelt werden, um einen speziellen Satz von mechanischen Eigenschaften zu erhalten, was umfasst, dass es einem Wärmebehandlungsprozess wie etwa Ausglühen, Abschrecken und/oder Tempern unterzogen wird. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl können auf ihre endgültige Dicke warm- oder kaltgewalzt sein und sie können vorgefertigt sein, damit sie ein spezielles Profil aufweisen, das zum Zusammensetzen zu dem Werkstückstapel 10 geeignet ist.
Mindestens eines der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl - und vorzugsweise beide - enthält/enthalten eine Oberflächenbeschichtung 40, die das Stahlbasissubstrat 36, 38 überlagert. Wie in 3 gezeigt ist, sind sowohl das erste als auch das zweite Stahlbasissubstrat 36, 38 mit einer Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet, die wiederum die Werkstücke 12, 14 aus Stahl mit ihren jeweiligen äußeren Außenflächen 26, 30 und ihren jeweiligen Stoßflächen 28, 32 bereitstellt. Die Oberflächenbeschichtung 40, die auf eines oder beide der Stahlbasissubstrate 26, 38 aufgebracht ist, ist ein zinkbasiertes Material. Einige Beispiele für ein zinkbasiertes Material umfassen Zink oder eine Zink-Eisen-Legierung, die vorzugsweise eine durchschnittliche Massenzusammensetzung aufweist, die 8 % bis 12 % Gewichtsanteil Eisen und 0,5 % bis 4 % Gewichtsanteil Aluminium enthält, wobei der Rest (in Prozent Gewichtsanteil) aus Zink besteht. Eine Beschichtung aus zinkbasiertem Material kann durch Tauchgalvanisieren (Zinkbeschichtung), Elektrogalvanisieren (Zinkbeschichtung) oder Galvannealing (Zink-Eisen-Legierungsbeschichtung) typischerweise bis zu einer Dicke zwischen 2 µm und 50 µm aufgebracht werden, obwohl andere Beschichtungsprozeduren und Dicken der erhaltenen Beschichtungen verwendet werden können. Unter Berücksichtigung der Dicke der Stahlbasissubstrate 36, 38 und deren optionaler Oberflächenbeschichtungen 40 weist jedes der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl eine Dicke 120, 140 auf, die zumindest am Schweißort 16 vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 4,0 mm und enger gefasst von 0,5 mm bis 2,0 mm liegt. Die Dicken 120, 140 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl können gleich oder voneinander verschieden sein.
Wieder mit Bezug auf 1 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, die hier durch die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl bereitgestellt wird. Der optische Laserabtastkopf 54 ist vorzugsweise an einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, der den Laserkopf 54 schnell und genau an viele verschiedene vorgewählte Schweißorte 16 an dem Werkstückstapel 10 in einer schnellen programmierten Abfolge befördern kann. Der Laserstrahl 24, der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 54 verwendet wird, ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich des elektromagnetischen Mediums betrieben wird (der für gewöhnlich als der Bereich von 700 nm bis 1400 nm betrachtet wird). Zusätzlich weist der Laserstrahl 24 eine Leistungspegelkapazität auf, die eine Leistungsdichte erreichen kann, die ausreicht, um Stahlschmelze aus dem Werkstückstapel 10 während der Ausbildung des mindestens einen Lochs auszutreiben und um falls gewünscht ein Schlüsselloch im Werkstückstapel 10 während der Ausbildung der Laserpunktschweißverbindung zu erzeugen. Die Leistungsdichte, die benötigt wird, um ein Schlüsselloch in sich überlappenden Werkstücken aus Stahl zu erzeugen, liegt typischerweise im Bereich von 0,5 - 1,0 MW/cm².
Einige Beispiele für einen geeigneten Festkörperlaserstrahl, der in Verbindung mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne verwendet werden kann, umfassen einen Faserlaserstrahl, einen Scheibenlaserstrahl und einen Direktdioden-Laserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine optische Faser ist, die mit einem Selten- Erden-Element dotiert ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, usw.). Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei dem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Selten-Erden-Element dotiert ist (z.B. ein mit Ytterbium dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Yb:YAG)-Kristall, der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist) und an einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter Direktdioden-Laserstrahl ist ein kombinierter Laserstrahl (z.B. wellenlängenkombiniert), der von mehreren Dioden stammt, in denen 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 Festerkörperlaserstrahlen verwendet werden.
Der optische Laserabtastkopf 54 enthält eine Anordnung von Spiegeln 56, die den Laserstrahl 24 relativ zu einer Ebene manövrieren können, die entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb einer Arbeitshüllkurve 58 manövrieren können, die den Schweißort 16 umfasst. Hier ist, wie in 1 dargestellt 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 in der Ebene durch die „x“- und „y“-Koordinaten eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert wird. Zusätzlich zu der Anordnung von Spiegeln 56 enthält der optische Laserabtastkopf 54 auch eine Sammellinse 60 auf der z-Achse, die einen Brennpunkt 62 (1A) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse 64 des Laserstrahls 24 bewegen kann, um damit den Ort des Brennpunkts 62 in einer z-Richtung zu verändern, die in dem dreidimensionalen Koordinatensystem, das in 1 hergestellt wurde, rechtwinklig zu der x-y-Ebene orientiert ist. Um zu verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen die Komponenten des optischen Systems und die Integrität des Laserstrahls 24 nachteilig beeinflussen, kann außerdem eine Abdeckscheibe 66 unter dem optischen Laserabtastkopf 54 angeordnet sein. Die Abdeckscheibe 66 schützt die Anordnung von Spiegeln 56 und die Sammellinse 60 auf der z-Achse vor der Umgebung, ermöglicht aber, dass der Laserstrahl 24 ohne wesentliche Störung den optischen Laserabtastkopf 54 verlassen kann.
Die Anordnung von Spiegeln 56 und die Sammellinse 60 auf der z-Achse arbeiten während des Betriebs der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen 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 64 des Strahls 24 vorzugeben. Die Anordnung von Spiegeln 56 enthält spezieller ein Paar kippbarer Abtastspiegel 68. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 68 ist an einem Galvanometer 70 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 68 können den Ort, an welchem der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft, an eine beliebige Stelle in der x-y-Ebene der Arbeitshüllkurve 58 durch präzise koordinierte Kippbewegungen bewegen, die von den Galvanometern 70 ausgeführt werden. Gleichzeitig steuert die Sammellinse 60 auf der z-Achse den Ort des Brennpunkts 62 des Laserstrahls 24, um dazu beizutragen, den Laserstrahl 24 mit der korrekten Leistungsdichte zu verwalten. Alle diese optischen Komponenten 60, 68 können innerhalb von Millisekunden oder weniger indiziert werden, um den Laserstrahl 24 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 mit einer Verfahrgeschwindigkeit voran zubewegen, die bis zum 120 m/min (Meter pro Minute) erreichen kann, während der Brennpunkt 62 des Laserstrahls an eine Stelle zwischen 100 mm über (+ 100 mm) der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 bis zu 100 unter (- 100 mm) der oberen Oberfläche 20 entlang der Strahlenlängsachse 64 positioniert wird.
Eine Eigenschaft, die das Laserpunktschweißen aus der Ferne (das manchmal auch als „weldung von the fly“ bezeichnet wird) von anderen herkömmlichen Formen des Laserpunktschweißens unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 24. Hier weist der Laserstrahl 24, wie am besten in 1 gezeigt ist, eine Brennweite 72 auf, die als die Distanz zwischen dem Brennpunkt 62 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 68 gemessen wird, welcher den Laserstrahl 24 unterbricht und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft (auch die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl). Die Brennweite 72 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 m bis 2,0 m, wobei ein Durchmesser des Brennpunkts 62 typischerweise in einem Bereich von 350 µm bis 700 µm liegt. Der optische Laserabtastkopf 54, der in 1 allgemein gezeigt und vorstehend beschrieben ist, sowie andere, die möglicherweise ein wenig anders aufgebaut sind, sind aus einer Vielfalt von Quellen kommerziell erhältlich. Einige erwähnenswerte Lieferanten von optischen Laserabtastköpfen und Lasern zur Verwendung mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne umfassen HIGHYAG (Kleinmachnow, Deutschland) und TRUMPF Inc. (Farmington, Conneticut, USA).
Als Teil des offenbarten Laserpunktschweißverfahrens und nun mit Bezugnahme auf 1 - 3 wird mindestens ein Loch 74 im Werkstückstapel 10 ausgebildet. Das mindestens eine Loch 74 erstreckt sich mindestens einen Teil der Strecke durch den Werkstückstapel 10 hindurch und durchquert die Stoßschnittstelle 34, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl hergestellt ist. Das mindestens eine Loch 74 kann an der oberen Oberfläche 20 (Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl) des Werkstückstapels 10 durch eine Eintrittsöffnung 76 an der oberen Oberfläche offen sein, und es kann sich ferner nur teilweise in das zweite Werkstück 14 aus Stahl hinein erstrecken, so dass das mindestens eine Loch 74 die untere Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 nicht durchbricht. In einer alternativen Ausführungsform kann das mindestens eine Loch 74 an der unteren Oberfläche 22 (Außenfläche 30 des zweiten Werkstücks 12 aus Stahl) des Werkstückstapels 10 durch eine Eintrittsöffnung 78 an der unteren Oberfläche offen sein und es kann sich ferner nur teilweise in das erste Werkstück 12 aus Stahl derart erstrecken, dass das mindestens eine Loch 74 die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 nicht durchbricht. In einer bevorzugten Ausführungsform jedoch durchdringt das mindestens eine Loch 74 den Werkstückstapel 10 vollständig und es erstreckt sich folglich vollständig durch sowohl das erste als auch das zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl hindurch, so dass das Loch 74 sowohl an der oberen als auch der unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 jeweils durch die Eintrittsöffnungen 76, 78 an der oberen und unteren Oberfläche offen ist, wie in 3 gezeigt ist.
Das mindestens eine Loch 74 wird vorzugsweise durch Betreiben der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne ausgebildet. Wie in 2 - 3 am besten dargestellt ist, ist der Laserstrahl 24, der mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne verbunden ist, als Vor-Schweißlaserstrahl 80 konfiguriert, der geeignet ist, um das mindestens eine Loch 74 auszubilden. Der Vor-Schweißlaserstrahl 80 wird auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb des Schweißorts 16 gelenkt und trifft darauf auf und er ist mit einem Satz von Strahleigenschaften versehen, der das Ausbilden des mindestens einen Lochs 74 ermöglicht. Zum Beispiel kann der Vor-Schweißlaserstrahl 80 einen Leistungspegel im Bereich von 1 kW bis 10 kW aufweisen und ein Brennpunkt 82 des Vor-Schweißlaserstrahls 80 kann entlang einer Längsachse 84 des Stahls 84 von einem Anfangsort zwischen +50 mm und -20 mm zu einem Endort zwischen +20 mm und -10 mm relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels über eine Periode von 20 ms bis 2000 ms bewegt werden. Diese Strahleigenschaften weisen den Effekt des Verdampfens des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl und des Austreibens von Stahlschmelze aus dem Werkstückstapel 10 auf, um das mindestens eine Loch 74 zu hinterlassen, welches wie vorstehend erwähnt vorzugsweise den Stapel 10 vollständig durchdringt, indem es sich vollständig durch den Stapel zwischen den Eintrittsöffnungen 76, 78 an der oberen und unteren Oberfläche erstreckt. Der Vor-Schweißlaserstrahl 80 kann auch relativ zu einer Ebene der oberen Oberfläche 20 bewegt werden (d.h. in der x-y-Ebene der oberen Oberfläche 20), um die gewünschte Größe des mindestens einen Lochs 74 zu erreichen.
Das mindestens eine Loch 74 weist einen Durchmesser auf, der vorzugsweise in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt, obwohl kleinere und größere Durchmesser beruhend auf den Eigenheiten des Werkstückstapels 10 und der nachfolgenden Ausbildung einer Laserpunktschweißverbindung eingesetzt werden können. Darüber hinaus kann das mindestens eine Loch 74 aus einer Vielzahl ähnlicher Löcher 74 bestehen, die zusammen gruppiert sind. Vor dem Laserschweißen können zwischen ein und acht Löcher 74 im Werkstückstapel 10 ausgebildet werden. Zudem können innerhalb der Gruppierung einer Vielzahl von Löchern 74 einige oder alle Löcher 74 durch den Vor-Schweißlaserstrahl 80 wie vorstehend beschrieben ausgebildet werden. Außerdem können die gruppierten Löcher 74 hinsichtlich ihrer Eindringtiefe und Größe gleich oder verschieden sein. Zur Sicherheit können in einer Ausführungsform alle der Vielzahl von Löchern 74 den Werkstückstapel 10 vollständig durchdringen und einen Durchmesser zwischen 2 mm und 4 mm aufweisen. In anderen Ausführungsformen jedoch können nur einige der Löcher 74 den Werkstückstapel 10 vollständig durchdringen, während andere den Stapel 10 entweder von der oberen Oberfläche 20 oder von der unteren Oberfläche 22 aus nur teilweise durchdringen können.
Nachdem das mindestens eine Loch 74 ausgebildet ist, wird der Werkstückstapel durch den Betrieb der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne durch Lasern punktgeschweißt, um eine Laserpunktschweißverbindung 86 (1) auszubilden, die die Werkstücke 12, 14 aus Stahl am Schweißort 16 miteinander verschweißt. Zum Wechseln der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne aus einem Betrieb zum Ausbilden des mindestens einen Lochs 74 in den Betrieb zum Ausbilden der Laserpunktschweißverbindung 86 wird der Laserstrahl 24 der Vorrichtung 18 von der Konfiguration als Vor-Schweißlaserstrahl 80 in die Konfiguration als Schweißlaserstrahl 88 umgeschaltet, wie in 2 und 4 dargestellt ist. Nach der Aktivierung wird der Schweißlaserstrahl 88 auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb einer auf die Ebene (die x-y-Ebene) der oberen Oberfläche 20 projizierten ringförmigen Schweißfläche 90 gelenkt und trifft darauf auf. Die ringförmige Schweißfläche 90 ist durch eine Außendurchmesserbegrenzung 92 und einen Innendurchmesserbegrenzung 94 auf der Ebene der oberen Oberfläche 20 definiert und umgibt eine zentrale Fläche 96, die das mindestens eine Loch 74 überspannt. Man sagt, dass die zentrale Fläche 96 das mindestens eine Loch 74 (und alle der Vielzahl gruppierter Löcher 74, wenn mehr als ein Loch 74 vorhanden ist) „überspannt“, wenn eine imaginäre Ausdehnung der zentralen Fläche 96 von der oberen Oberfläche 20 zu der unteren Oberfläche 22 des Werkstückstapels 10 ein Volumen im Stapel 10 eingrenzt, das das bzw. die zuvor ausgebildeten Löcher 74 umfasst. Die Außendurchmesserbegrenzung 92 liegt vorzugsweise im Durchmesserbereich von 5 mm bis 15 mm, während die Innendurchmesserbegrenzung 94 vorzugsweise im Durchmesserbereich von 3 mm bis 12 mm liegt.
Die Hitze, die aus einer Absorption der fokussierten Energie des Schweißlaserstrahls 88 erzeugt wird, leitet das Schmelzen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Stahl ein, um ein Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche 20 aus zu der unteren Oberfläche 22 hin in den Werkstückstapel 10 eindringt. Das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze dringt in den Werkstückstapel 10 tief genug ein, dass es die Stoßschnittstelle 34 schneidet, die in dem Werkstückstapel 10 zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl hergestellt ist. Darüber hinaus weist der Schweißlaserstrahl 88 vorzugsweise eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um den Werkstückstapel 10 direkt unter der Stelle zu verdampfen, an der er auf die obere Oberfläche 20 des Stapels 10 auftrifft. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 100, das eine Säule aus verdampftem Werkstückstahl ist, die gewöhnlich Plasma enthält. Das Schlüsselloch 100 wird innerhalb des Schmelzbads 98 aus Stahlschmelze ausgebildet und dringt auch in den Werkstückstapel 10 von der oberen Oberfläche 20 aus zu der unteren Oberfläche 22 hin ein und schneidet die Stoßschnittstelle 34 innerhalb des Werkstückstapels 10. Das Schlüsselloch 100 und das umgebende Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze können den Werkstückstapel 10 vollständig (wie gezeigt) oder teilweise durchdringen.
Nachdem das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze und das Schlüsselloch 100 erzeugt sind, wird der Schweißlaserstrahl 88 relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 20 entlang eines Strahlbewegungsmusters 102 (5 - 8) voranbewegt, das auf die ringförmige Schweißfläche 90 beschränkt ist. Das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 entlang der Strahlbewegungsmusters 102 wird durch präzises Steuern der koordinierten Bewegungen der kippbaren Abtastspiegel 68 des optischen Laserabtastkopfs 54 bewerkstelligt. Diese koordinierten Bewegungen der Abtastspiegel 68 können den Schweißlaserstrahl 88 schnell bewegen, damit er einer großen Vielfalt von auf die Ebene der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 projizierten Strahlbewegungsmustern mit einfacher oder komplexer Gestalt folgen kann. Einige Beispiele für geeignete Strahlbewegungsmuster 102, denen der Schweißlaserstrahl 88 folgen kann, sind in 5 - 8 gezeigt und nachstehend beschrieben. Im Allgemeinen jedoch und unter Verwendung von 5 - 8 als Beispiele enthält das Strahlbewegungsmuster 102 eine oder mehrere nichtlineare Schweißstrecken 104. Darüber hinaus wird der Schweißlaserstrahl 88 vorzugsweise entlang des vorgesehenen Strahlbewegungsmusters 102 mit einer relativ hohen Verfahrgeschwindigkeit voranbewegt, die in einem Bereich zwischen 2 m/min und 120 m/min oder enger gefasst zwischen 8 m/min und 50 m/min liegt.
Wie vorstehend erwähnt folgt der Schweißlaserstrahl 88 dem Strahlbewegungsmuster 102 mit Bezug auf eine Ebene, die entlang der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 90 und um die zentrale Fläche 96 herum orientiert ist, die das mindestens eine Loch 74 überspannt. Folglich sind die in 5 - 8 dargestellten Veranschaulichungen Draufsichten von oben auf verschiedene beispielhafte Strahlbewegungsmuster, die auf die obere Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 projiziert sind. Diese Ansichten stellen ein visuelles Verständnis dessen bereit, wie der Schweißlaserstrahl 88 relativ zu der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 während der Ausbildung der Laserpunktschweißverbindung 86 voranbewegt wird. Die eine oder die mehreren nichtlinearen Schweißstrecken 104 innerhalb des Strahlbewegungsmusters 102 können eine einzige Schweißstrecke oder eine Vielzahl von Schweißstrecken umfassen, die eine Krümmung oder Abweichung von der Linearität enthalten. Diese Schweißstrecken können kontinuierlich gekrümmt sein oder sie können aus mehreren geraden Liniensegmenten bestehen, die unter einem Winkel zueinander Ende an Ende verbunden sind (d.h. der Winkel zwischen den verbundenen Liniensegmenten ist ≠180°).
Mit Bezug nun auf 5 - 8 kann das Strahlbewegungsmuster 102 ein Strahlbewegungsmuster mit geschlossener Kurve, ein spiralförmiges Strahlbewegungsmuster oder irgendein anderes Strahlbewegungsmuster umfassen. Ein Strahlbewegungsmuster mit geschlossener Kurve kann jedes Muster sein, das eine Vielzahl radial beabstandeter und nicht miteinander verbundener kreisförmiger Schweißstrecken, elliptischer Schweißstrecken oder Schweißstrecken mit ähnlichen geschlossenen Kurven enthält. Ein spiralförmiges Strahlbewegungsmuster kann jedes Muster sein, das eine einzige Schweißstrecke aufweist, die sich um die Innendurchmesserbegrenzung 94 der ringförmigen Schweißfläche 90 herum dreht und mehrere Windungen enthält, die in radialer Richtung zwischen der Außendurchmesser- und Innendurchmesserbegrenzung 92, 94 beabstandet sind, wobei eine bevorzugte Anzahl von Spiralwindungen im Bereich von 2 bis 20 liegt. Es kann auch eine große Vielfalt anderer Muster als das Strahlbewegungsmuster 102 verwendet werden, die beispielsweise das in 8 gezeigte Rollkurven-Strahlbewegungsmuster enthält, das eine epitrochoide Schweißstrecke enthält. Variationen dieser speziell veranschaulichten Strahlbewegungsmuster 102 sowie andere Muster, die nichtlineare Schweißstrecken enthalten, können ebenfalls durch den Schweißlaserstrahl 88 verfolgt werden, um die Laserpunktschweißverbindung 86 auszubilden.
5 veranschaulicht eine Ausführungsform des Strahlbewegungsmusters 102, die eine einzige nichtlineare innere Schweißstrecke 802 umfasst, die innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 90 liegt, in der Form eines spiralförmigen Strahlbewegungsmusters 800. Hier entspringt das spiralförmige Strahlbewegungsmuster 800 wie gezeigt an einem festen Innenpunkt 804, umkreist die zentrale Fläche 96, während sie sich um die Innendurchmesserbegrenzung 94 der ringförmigen Schweißfläche 90 herum dreht, und endet an einem festen Außenpunkt 806. Die einzige nichtlineare Schweißstrecke 802 des spiralförmigen Strahlbewegungsmusters 800 windet sich daher von dem festen Innenpunkt 804 aus und dehnt sich radial nach außen zu dem festen Außenpunkt 806 hin aus. Die einzige nichtlineare Schweißstrecke 802 kann kontinuierlich gekrümmt sein, wie in 5 gezeigt ist, und das spiralförmige Strahlbewegungsmuster 800 kann ferner eine archimedische Spirale sein, bei welcher die Windungen der Schweißstrecke 802 äquidistant zueinander um eine Distanz D 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 benachbarter Windungen sein. Alternativ kann als anderes Beispiel die einzige nichtlineare Schweißstrecke 802 zu einem gleichwinkligen spiralförmigen Strahlbewegungsmuster angeordnet sein, bei welchem benachbarte Windungen der Spirale fortschreitend weiter auseinander liegen. Ein Beispiel für ein gleichwinkliges spiralförmiges Strahlbewegungsmuster ist durch die Gleichung r(θ) = e^-0,1(θ) definiert, bei welcher θ in Polarkoordinaten definiert ist.
6 - 7 veranschaulicht mehrere Ausführungsformen des Strahlbewegungsmusters 102, die eine Vielzahl von nichtlinearen Schweißstrecken umfassen, die sich insofern voneinander unterscheiden, als sich keine der nichtlinearen Schweißstrecken schneidet. Alle in 6 - 7 gezeigten Strahlbewegungsmuster 102 umfassen beispielsweise eine Vielzahl von in radialer Richtung beabstandeter und nicht miteinander verbundener kreisförmiger Schweißstrecken 820 (6) oder nicht miteinander verbundenen elliptischen Schweißstrecken 822 (7) in der Form eines Strahlbewegungsmusters 810 mit geschlossener Kurve. Die kreisförmigen Schweißstrecken 820 und die elliptischen Schweißstrecken 822 sind auf der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10 radial voneinander beabstandet und sie sind um die zentrale Fläche 96 herum konzentrisch angeordnet. Diese diskreten Schweißstrecken 820, 822 können radial gleichmäßig voneinander beabstandet sein (6 - 7) oder sie können mit variierenden Distanzen zwischen den Außendurchmesser- und Innendurchmesserbegrenzungen 92, 94 beabstandet sein. Diesbezüglich umfassen die kreisförmigen Schweißstrecken 820 eine äußerste kreisförmige Schweißstrecke 820', die der Außendurchmesserbegrenzung 92 der ringförmigen Schweißfläche 90 am nächsten liegt, und eine innerste kreisförmige Schweißstrecke 820", die der Innendurchmesserbegrenzung 94 am nächsten liegt. Die elliptischen Schweißstrecken 822 enthalten analog angeordnete äußerste und innerste elliptische Schweißstrecken 822', 822". Die in 6 - 7 veranschaulichten Ausführungsformen des Strahlbewegungsmusters 810 enthalten vorzugsweise zwischen zwei und zwanzig Schweißstrecken 820, 822 oder enger gefasst zwischen drei und acht Schweißstrecken 820, 822. Und wie das spiralförmige Strahlbewegungsmuster 800 von 5 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.
Zusätzlich zu denjenigen Ausführungsformen, die in 5 - 7 gezeigt sind, werden in der Tat andere Ausführungsformen des Strahlbewegungsmusters 102 in Betracht gezogen. In einer derartigen Ausführungsform, die in 8 dargestellt ist, ist das Strahlbewegungsmuster 102 ein Rollkurven-Strahlbewegungsmuster, das eine epitrochoide Schweißstrecke 824 enthält. Die epitrochoide Schweißstrecke 824 kann durch eine Strecke repräsentiert werden, die von einem Punkt P zurückgelegt wird, der an dem Ursprung O eines rotierenden Kreises 826 mit Radius R angebracht ist, der um die Außenseite des festen Kreises 828 herum rollt. Wenn der rotierende Kreis 826 in einer Richtung im Uhrzeigersinn um den festen Kreis 828 derart herumrotiert, dass der Umfang des rotierenden Kreises 826 auf den Umfang des festen Kreises 828 trifft, bewegt sich der Punkt P zusammen mit dem Kreis 826, wodurch die epitrochoide Schweißstrecke 824 erzeugt wird, die in 8 dargestellt ist. Der rotierende Kreis 826 kann entlang des festen Kreises 828 rotieren, so dass er den Punkt P kontinuierlich um die zentrale Fläche 96 herum innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 90 bewegt. Andere epitrochoide Schweißstrecken, die andere Gestalten als diejenige aufweisen, die in 8 gezeigt ist, können erzeugt werden, indem die Distanz zwischen Punkt P und dem 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 Schweißlaserstrahl 88 kann entlang des Strahlbewegungsmusters 102 innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 90 in einer Vielfalt von Weisen voranbewegt werden. Zum Beispiel kann der Schweißlaserstrahl 88 mit Bezug auf das in 5 gezeigte spiralförmige Strahlbewegungsmuster 800 von dem festen Außenpunkt 806, der der Außendurchmesserbegrenzung 92 am nächsten liegt, und um die mehreren Windungen der einzigen nichtlinearen Schweißstrecke 802 herum voranbewegt werden, bis er schließlich am festen Innenpunkt 804 stoppt, der der Innendurchmesserbegrenzung 94 am nächsten liegt. Als weiteres Beispiel mit Bezug auf die in 6 - 7 gezeigten Strahlbewegungsmuster 810 mit geschlossener Kurve kann der Schweißlaserstrahl 88 in eine Richtung radial nach innen von der äußersten Schweißstrecke 820', 822', die der Außendurchmesserbegrenzung 92 am nächsten liegt, zu der innersten Schweißstrecke 820", 822" voranbewegt werden, die der Innendurchmesserbegrenzung 94 am nächsten liegt. Das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 in eine Richtung radial nach innen innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 90 - speziell wenn das Strahlbewegungsmuster ein spiralförmiges Strahlbewegungsmuster oder ein Strahlbewegungsmuster mit geschlossener Kurve enthält - ist allgemein bevorzugt, da die mustergestützte Bewegung nach innen des Schweißlaserstrahls 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 dazu beiträgt, Zinkdämpfe, die durch die Wärme des Schweißlaserstrahls 88 erzeugt werden, zu dem mindestens einen Loch 74 hin zu treiben, wo sie aus dem Werkstückstapel 10 entweichen können.
Wenn der Schweißlaserstrahl 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 voranbewegt wird, was in 2 und 4 am besten dargestellt ist, werden das Schlüsselloch 100 und das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze folglich mit der gleichen Geschwindigkeit entlang einer entsprechenden Route relativ zu der oberen Oberfläche 20 verschoben, da sie der Bewegung des Schweißlaserstrahls 88 entlang der oberen Oberfläche 20 nachfolgen. Auf diese Weise hinterlässt das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze momentan eine Spur aus geschmolzenem Stahlwerkstückmaterial im Kielwasser der Bewegungstrecke des Schweißlaserstrahls 88 und der entsprechenden Route des Schmelzbads 98. Diese Spur aus geschmolzenem Stahlwerkstückmaterial erstarrt schnell zu einem wiedererstarrten Stahlverbundwerkstückmaterial 106 (2 und 4), das aus Material besteht, das von jedem der Werkstücke 12, 14 aus Stahl stammt, in die das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze eingedrungen ist. Schließlich wird, wenn der Schweißlaserstrahl 88 das Verfolgen des Strahlbewegungsmusters 102 beendet hat, die Übertragung des Schweißlaserstrahls 88 beendet, so dass der Strahl 88 nicht länger Energie an den Werkstückstapel 10 überträgt. Zu diesem Zeitpunkt kollabiert das Schlüsselloch 100 und das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze erstarrt. Das gesamte wiedererstarrte Stahlverbundwerkstückmaterial 106, das aus den Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 erhalten wurde, bildet die Laserpunktschweißverbindung 86.
Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 100 und des umgebenden Schmelzbads 98 aus Stahlschmelze wird während des Voranbewegens des Schweißlaserstrahls 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 gesteuert, um sicherzustellen, dass die Werkstücke 12, 14 aus Stahl durch die Schweißverbindung 86 am Schweißort 16 miteinander verschweißt werden. Im Speziellen schneiden, wie vorstehend erwähnt wurde, das Schlüsselloch 100 und das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze die Stoßschnittstelle 34, die zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl im Werkstückstapel 10 hergestellt wurde. In der Tat dringen in einer bevorzugten Ausführungsform, wie am besten in 4 gezeigt ist, das Schlüsselloch 100 und das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze vollständig in den Werkstückstapel 10 ein, was bedeutet, dass sowohl das Schlüsselloch 100 als auch das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze sich von der oberen Oberfläche 20 aus die gesamte Strecke durch den Stapel 10 hindurch erstrecken, so dass sie die untere Oberfläche 22 durchbrechen. Indem bewirkt wird, dass das Schlüsselloch 100 und das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze tief genug in den Werkstückstapel 10 eindringen, dass sie die Stoßschnittstelle 34 schneiden - entweder mit Hilfe eines vollständigen oder eines teilweisen Eindringens - dient das wiedererstarrte Stahlverbundwerkstückmaterial 106, das durch Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 erzeugt wurde, zum autogenen Verschweißen der Werkstücke 12, 14 aus Stahl miteinander.
Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 100 und des umgebenden Schmelzbads 98 aus Stahlschmelze kann erreicht werden, indem verschiedene Eigenschaften des Schweißlaserstrahls 88 gesteuert werden, welche den Leistungspegel des Laserstrahls 88, die Position eines Brennpunkts 108 des Laserstrahls 88 entlang einer Längsachse 110 des Strahls 88 und die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 88 umfassen, wenn er entlang des Strahlbewegungsmusters 102 voranbewegt wird. Diese Strahleigenschaften können in einen Schweißcontroller programmiert werden, der in der Lage ist, Anweisungen auszuführen, die die Eindringtiefe des Schlüssellochs 100 und des umgebenden Schmelzbads 98 aus Stahlschmelze präzise vorgeben. Obwohl die verschiedenen Eigenschaften des Schweißlaserstrahls 88 augenblicklich in Verbindung miteinander verändert werden können, um die Eindringtiefe des Schlüssellochs 100 und die Schmelzbads 98 aus Stahlschmelze an jedem speziellen Abschnitt des Strahlbewegungsmusters 102 zu erreichen, kann in vielen Fällen unabhängig von dem Profil des Strahlbewegungsmusters 102 der Leistungspegel des Schweißlaserstrahls 88 auf zwischen 0,2 kW und 50 kW oder enger gefasst zwischen 1 kW und 10 kW eingestellt werden, die Verfahrgeschwindigkeit des Schweißlaserstrahls 88 kann auf zwischen 2 m/min und 120 m/min oder enger gefasst zwischen 8 m/min und 50 m/min eingestellt werden und der Brennpunkt 108 des Schweißlaserstrahls 88 kann auf einen Wert zwischen 30 mm über der oberen Oberfläche 20 (+30 mm) des Werkstückstapels 10 und 30 mm unter (-30 mm) der oberen Oberfläche 20 eingestellt werden.
Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein wird vermutet, dass das Ausbilden des mindestens einen Lochs 74 im Werkstückstapel gefolgt vom Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 90 eine gute Festigkeit - speziell eine gute Abschäl- und Querspannungsfestigkeit - in der Laserpunktschweißverbindung 86 fördert. Speziell stellt das Ausbilden des mindestens einen Lochs 74 eine Leitung in dem Werkstückstapel 10 bereit, durch welche Zinkdämpfe, die von dem Schweißlaserstrahl 24 erzeugt werden, schnell entweichen können. Eine derartige Fluchtleitung reduziert die Chance, dass Hochdruck-Zinkdämpfe des Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze infiltrieren und darin eingeschlossen werden, was wiederum dazu beiträgt, das Vorhandensein eingeschlossener Porositäten innerhalb des wiedererstarrten Stahlverbundwerkstückmaterials 106 der Laserpunktschweißverbindung 86 zu vermeiden. Zusätzlich kann das Ausbilden des mindestens einen Lochs 74, wenn es durch Laserschweißen bewirkt wird, Zink vom Werkstückstapel 10 am Schweißort 16 wegbrennen und außerdem Zink zu Zinkoxiden mit hoher Siedetemperatur innerhalb des Schweißorts 16 umwandeln, wobei beides die Menge an Zinkdämpfen reduziert, die anschließend durch den Schweißlaserstrahl 88 erzeugt werden kann.
Darüber hinaus weist das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 in der ringförmigen Schweißfläche 90 den Effekt auf, dass jegliche Zinkdämpfe, die möglicherweise erzeugt werden, in eine Richtung radial nach innen zu dem mindestens einen Loch 74 hin getrieben werden.
Die Konsolidierung und induzierte Führung von Zinkdämpfen zu dem mindestens einen Loch 74 hin tritt entweder entlang der Stoßschnittstelle 34 auf, wenn der Abschnitt des Werkstückstapels 10 unter der zentralen Fläche 96 nicht schmilzt und/oder durch Stahlschmelze hindurch, wenn ein Teil oder der gesamte Abschnitt des Stapels 10 unter der zentralen Fläche 96 als Resultat einer konduktiven Wärmeübertragung schmilzt. Indem Zinkdämpfe zu dem mindestens einen Loch 74 hingeführt werden, begrenzt das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 entlang des Strahlbewegungsmusters 102 eingeschlossene Porositäten in dem wiedererstarrten Stahlverbundwerkstückmaterial 106 der Laserpunktschweißverbindung 86 oder beseitigt sie gänzlich. Und selbst wenn gewisse Porositäten vorhanden sind, schiebt die mustergestützte Bewegung des Schweißlaserstrahls 88 in der ringförmigen Schweißfläche 90 zumindest einen signifikanten Anteil dieser Porositäten in eine Region der Laserpunktschweißverbindung 86 unter der zentralen Fläche 96 auf der Ebene der oberen Oberfläche 20 des Werkstückstapels 10. Die Konzentration von Porositäten unter der zentralen Fläche 96 ist tolerierbar, da es weniger wahrscheinlich ist, dass zentral angeordnete Porositäten die mechanischen Eigenschaften der Laserpunktschweißverbindung 86 im Vergleich mit Porositäten, die am Umfang der Schweißverbindung 86 angeordnet sind, beeinflussen.
1 und 3 - 4 veranschaulichen die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens im Kontext, dass der Werkstückstapel 10 ein „2T“-Stapel ist, der nur das erste und das zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl mit deren einziger Stoßschnittstelle 34 enthält. Das gleiche Laserpunktschweißverfahren kann jedoch auch ausgeführt werden, wenn der Werkstückstapel 10 ein „3T“-Stapel ist, der ein zusätzliches drittes Werkstück 200 aus Stahl mit einer Dicke 220 enthält, welches das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Stahl überlappt und dazwischen gelegen ist, wie in 9 - 10 dargestellt ist. In der Tat muss das Laserpunktschweißverfahren unabhängig davon, ob der Werkstückstapel 10 ein 2T- oder ein 3T-Stapel ist, nicht sehr viel verändert werden, um die Laserpunktschweißverbindung 86 zu bilden. Und in jedem Fall kann die Laserpunktschweißverbindung 86 Eigenschaften einer Festigkeit mit guter Qualität trotz der Tatsache erreichen, dass mindestens eins und manchmal alle Werkstücke aus Stahl eine Oberflächenbeschichtung 40 enthalten, die aus einem zinkbasierten Material besteht wie etwa Zink (z.B. galvanisiert oder elektrogalvanisiert) oder eine Zink-Eisen-Legierung (z.B. Galvanneal).
Mit Bezug nun auf 9 - 10 enthält das zusätzliche dritte Werkstück 200 aus Stahl, wenn vorhanden, ein drittes Stahlbasissubstrat 202, das optional mit der gleichen vorstehend beschriebenen Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet sein kann. Wenn der Werkstückstapel 10 das erste, zweite und dritte sich überlappende Werkstück 12, 14, 200 aus Stahl enthält, enthält das Stahlbasissubstrat 36, 38, 202 von mindestens einem der Werkstücke 12, 14, 200 und manchmal von allen die Oberflächenbeschichtung 40. Hinsichtlich der Eigenschaften (z.B. Zusammensetzung, Dicke usw.) des dritten Stahlbasissubstrats 202, sind die vorstehenden Beschreibungen im Hinblick auf das erste und zweite Stahlbasissubstrat 36, 38 gleichermaßen auch auf dieses Substrat 202 anwendbar. Es soll jedoch erwähnt werden, dass zwar die gleichen allgemeinen Beschreibungen auf die mehreren Werkstücke 12, 14, 200 aus Stahl zutreffen, es jedoch keine Anforderung gibt, dass die Werkstücke 12, 14, 200 aus Stahl zueinander identisch sind. In vielen Fällen unterscheiden sich das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 14, 200 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, 200 aus Stahl in einer sich überlappenden Weise, um den Werkstückstapel 10 bereitzustellen, weist das dritte Werkstück 200 aus Stahl zwei Stoßflächen 204, 206 auf. Eine der Stoßflächen 204 überlappt sich mit der ersten Stoßfläche 28 des ersten Werkstücks 12 aus Stahl und liegt dieser gegenüber, und die andere Stoßfläche 206 überlappt sich mit der zweiten Stoßfläche 32 des zweiten Werkstücks 14 aus Stahl und liegt dieser gegenüber, wodurch zwei Stoßschnittstellen 208, 210 innerhalb des Werkstückstapels 10 hergestellt werden, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstrecken. Diese Stoßschnittstellen 208, 210 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die bereits mit Bezug auf 3 - 4 beschrieben wurde. Folglich weisen in dieser Ausführungsform wie hier beschrieben die Außenflächen 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 mindestens einen Lochs 74 und anschließend der Laserpunktschweißverbindung 86 in dem „3T“-Werkstückstapel 10 wird auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben erreicht. Die Formation des mindestens einen Lochs 74 beispielsweise erstreckt sich zumindest einen Teil der Strecke durch den Werkstückstapel 10 hindurch und durchquert jede der Stoßschnittstellen 208, 210, die zwischen den mehreren Werkstücken 12, 14, 200 aus Stahl hergestellt wurden. Das mindestens eine Loch 74 erstreckt sich vorzugsweise vollständig durch das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 14, 200 aus Stahl hindurch, so dass das Loch 74 sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche 20, 22 des Werkstückstapels 10 durch die jeweiligen Eintrittsöffnungen 76, 78 an der oberen und unteren Oberfläche offen ist, wie in 9 gezeigt ist. Des Weiteren kann wie zuvor das mindestens eine Loch 74 auf eine Vielfalt von Weisen ausgebildet werden, die umfassen durch den Betrieb der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne und durch die Verwendung des Vor-Schweißlaserstrahls 80. Das mindestens eine Loch 74 weist einen Durchmesser auf, der vorzugsweise in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt, obwohl andere Durchmesser selbstverständlich verwendet werden können. Es kann, falls gewünscht und wie vorstehend beschrieben auch mehr als ein Loch 74 ausgebildet werden.
Das Ausbilden der Laserpunktschweißverbindung 86 wird ausgeführt, indem der Schweißlaserstrahl 88 vorzugsweise durch einen Betrieb der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne entlang des Strahlbewegungsmusters 102 innerhalb der ringförmigen Schweißfläche 90 wie vorstehend erörtert voranbewegt wird. Dieses Voranbewegen des Schweißlaserstrahls 88 verschiebt das optionale Schlüsselloch 100 und das umgebende Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze entlang einer entsprechenden Route, um schließlich das wiedererstarrte Stahlverbundwerkstückmaterial 106 zu liefern, das gemeinsam die Laserpunktschweißverbindung 86 bildet und die drei Werkstücke 12, 14, 200 aus Stahl miteinander verschweißt. Und wie zuvor durchdringen in einer bevorzugten Ausführungsform das Schlüsselloch 100 und das umgebende Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze den Werkstückstapel 10 vollständig, wie in 10 gezeigt ist, obwohl in alternativen Ausführungsformen das Schlüsselloch 100 und das Schmelzbad 98 aus Stahlschmelze den Stapel 10 nur teilweise durchdringen können. Beliebige der beispielhaften Strahlbewegungsmuster 102, die in 5 - 8 dargestellt sind, sowie andere, die nicht dargestellt sind, können durch den sich voranbewegenden Schweißlaserstrahl 88 während der Ausbildung der Laserpunktschweißverbindung 86 verfolgt werden, um die gleichen Effekte mit Bezug auf das Entweichen von Zinkdämpfen durch das mindestens eine Loch 74 und auf die Minimierung von Porositäten in der Verbindung 86 wie vorstehend erörtert zu erreichen.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und speziellen Beispielen ist lediglich beispielhaft; diese sollen den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht begrenzen. Allen Begriffen, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, soll ihre gewöhnliche und geläufige Bedeutung verliehen werden, sofern es nicht in der Beschreibung spezifisch und eindeutig anders angegeben ist.

Claims

Verfahren zum Laserpunktschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält, 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 in dem Werkstückstapel hergestellt wird, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel eine Oberflächenbeschichtung aus einem zinkbasierten Material enthält; mindestens ein Loch in dem Werkstückstapel ausgebildet wird, das sich zumindest einen Teil der Strecke durch den Werkstückstapel hindurch erstreckt und jede Stoßschnittstelle durchquert, die in dem Werkstückstapel hergestellt ist, wobei das mindestens eine Loch an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels, an der unteren Oberfläche des Werkstückstapels oder an sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des Werkstückstapels offen ist; ein Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird, wobei der Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche auftrifft und ein Schmelzbad aus Stahlschmelze erzeugt, das in den Werkstückstapel hinein von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin eindringt und das jede Stoßschnittstelle schneidet, die in dem Werkstückstapel hergestellt ist; und eine Laserschweißverbindung ausgebildet wird, indem der Schweißlaserstrahl 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 Schweißlaserstrahls eine zentrale Fläche auf der Ebene der oberen Oberfläche umgibt, die das mindestens eine Loch überspannt, das in dem Werkstückstapel ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Stahl eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Stahl eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Stahl die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Stahl die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei sich die erste und zweite Stoßfläche des ersten und zweiten Werkstückes aus Stahl überlappen und einander gegenüberliegen, um eine erste Stoßschnittstelle herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Stahl eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Stahl eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Stahl die obere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Stahl die untere Oberfläche des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Werkstück aus Stahl umfasst, das zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück aus Stahl gelegen ist, wobei das dritte Werkstück aus Stahl entgegengesetzte Stoßflächen aufweist, von denen sich eine mit der ersten Stoßfläche des Werkstücks aus Stahl überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle herzustellen, und wobei sich die andere mit der zweiten Stoßfläche des zweiten Werkstücks aus Stahl überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Loch in dem Werkstückstapel ausgebildet wird, indem ein Vor-Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt wird, um Stahlschmelze aus dem Stapel auszutreiben.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Vor-Schweißlaserstrahl einen Leistungspegel aufweist, der in einem Bereich von 1 kW bis 10 kW liegt, und wobei ein Brennpunkt des Vor-Schweißlaserstrahls von einem Anfangsort wischen +50 mm und -20 mm zu einem Endort zwischen +20 mm und -10 mm relativ zu der oberen Oberfläche des Werkstückstapels bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Loch in dem Werkstückstapel durch mechanisches Bohren ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Loch den Werkstückstapel vollständig durchdringt, so dass sich das Loch zwischen sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des Werkstückstapels erstreckt und dort offen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Loch einen Durchmesser aufweist, der in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden des mindestens einen Lochs umfasst, dass eine Vielzahl von Löchern ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Voranbewegen des Schweißlaserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters durch einen optischen Laserabtastkopf ausgeführt wird, der kippbare Abtastspiegel aufweist, deren Bewegungen koordiniert werden, um den Schweißlaserstrahl relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schweißlaserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit voranbewegt wird, die in einem Bereich von 8 m/min bis 50 m/min liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Strahlbewegungsmuster des Schweißlaserstrahls ein spiralförmiges Strahlbewegungsmuster ist, das eine einzige nichtlineare Schweißstrecke umfasst, die sich um einen festen Innenpunkt in der Nähe der Innendurchmesserbegrenzung herum dreht und sich von dort aus radial nach außen ausdehnt bis zu einem festen Außenpunkt in der Nähe der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Schrittgröße zwischen in radialer Richtung ausgerichteten Punkten auf jedem Paar von benachbarten Windungen des spiralförmigen Strahlbewegungsmusters größer als 0,01 mm und kleiner als 0,8 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schweißlaserstrahl entlang des spiralförmigen Strahlbewegungsmusters 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 1, wobei das Strahlbewegungsmuster des Schweißlaserstrahl ein Strahlbewegungsmuster mit geschlossener Kurve ist, das 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 15, 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 15, wobei der Schweißlaserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters mit geschlossener Kurve in eine Richtung radial nach innen von einer äußersten Schweißstrecke, die der Außendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche am nächsten liegt, zu einer innersten Schweißstrecke, die der Innendurchmesserbegrenzung am nächsten liegt, voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Durchmesser der Innendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche in einem Bereich von 3 mm bis 12 mm liegt und ein Durchmesser der Außendurchmesserbegrenzung in einem Bereich von 5 mm bis 15 mm liegt.
Verfahren zum Laserpunktschweißen aus der Ferne eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält, 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, das 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 in dem Werkstückstapel hergestellt wird, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Stahl in dem Werkstückstapel eine Oberflächenbeschichtung aus Zink oder einer Zink-Eisen-Legierung enthält; ein optischer Laserabtastkopf betrieben wird, um einen Festkörper-Vor-Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels zu lenken, wobei der Vor-Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche auftrifft und Stahlschmelze aus dem Stapel austreibt, um mindestens ein Loch in dem Werkstückstapel auszubilden, das sich zu mindestens einen Teil der Strecke durch den Werkstückstapel hindurch erstreckt und jede Stoßschnittstelle durchquert, die in dem Werkstückstapel hergestellt ist, wobei das mindestens eine Loch an der oberen Oberfläche des Werkstückstapels, an der unteren Oberfläche des Werkstückstapels oder sowohl an der oberen als auch der unteren Oberfläche des Werkstückstapels offen ist; der optische Laserabtastkopf betrieben wird, um einen Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche des Werkstückstapels zu lenken, nachdem das mindestens eine Loch ausgebildet wurde, wobei der Schweißlaserstrahl auf die obere Oberfläche innerhalb einer ringförmigen Schweißfläche auftrifft, die durch einen Innendurchmesserbegrenzung und eine Außendurchmesserbegrenzung auf der Ebene der oberen Oberfläche definiert ist, um ein Schmelzbad aus Stahlschmelze zu erzeugen, das von der oberen Oberfläche aus zu der unteren Oberfläche hin in den Werkstückstapel eindringt, wobei die ringförmige Schweißfläche eine zentrale Fläche auf der Ebene der oberen Oberfläche umgibt, welche das mindestens eine Loch, das in dem Werkstückstapel ausgebildet ist, überspannt; und die Bewegung von kippbaren Abtastspiegel innerhalb des optischen Laserabtastkopfs koordiniert wird, um den Schweißlaserstrahl relativ zu der Ebene der oberen Oberfläche des Werkstückstapels und entlang eines Strahlbewegungsmusters voranzubewegen, das innerhalb der ringförmigen Schweißfläche liegt und zentrale Fläche umgibt, welche das mindestens eine Loch umspannt, und wobei der Schweißlaserstrahl entlang des Strahlbewegungsmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit voran bewegt wird, die in einem Bereich von 2 m/min bis 120 m/min liegt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das mindestens eine Loch einen Durchmesser aufweist, der in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt, und wobei ein Durchmesser der Innendurchmesserbegrenzung der ringförmigen Schweißfläche in einem Bereich von 3 mm bis 12 mm liegt und ein Durchmesser der Außendurchmesserbegrenzung in einem Bereich von 5 mm bis 15 mm liegt.