DE112016007229T5

DE112016007229T5 - Laserschweissen von sich überlappenden Werkstücken aus Metall, das durch eine oszillierende Brennpunktposition des Laserstrahls unterstützt wird

Info

Publication number: DE112016007229T5
Application number: DE112016007229.5T
Authority: DE
Inventors: David Yang; Wu Tao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2019-06-13
Also published as: US20190224781A1; CN110023026A; CN110023026B; WO2018072163A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels (10, 10'), der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke (12, 150, 14) aus Metall enthält, umfasst, dass ein Strahlpunkt (44) eines Laserstrahls (24) relativ zu einer Oberseite (20) des Werkstückstapels (10, 10') und entlang eines Strahlbewegungsmusters (66) voranbewegt wird, um eine Laserschweißverbindung (64) auszubilden, die die Werkstücke (12, 150, 14) aus Metall miteinander fusionsverschweißt. Während der Strahlpunkt (44) zwischen einem ersten Punkt (76) und einem zweiten Punkt (78) von einer oder mehreren Schweißstrecken (74) des Strahlbewegungsmusters (66) voranbewegt wird, wird die Position eines Brennpunkts (52) des Laserstrahls (24) relativ zu der Oberseite (20) des Werkstückstapels (10, 10') entlang einer Dimension (68) oszillieren gelassen, die quer zu der Oberseite (20) orientiert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Laserschweißen und spezieller ein Verfahren, um durch Laserschweißen zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Metall zu verschweißen, bei dem alle sich überlappende Werkstücke aus Metall in dem Stapel Werkstücke aus Stahl, Aluminium oder Magnesium sind.
HINTERGRUND
Das Laserschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei dem ein Laserstrahl auf einen Werkstückstapel aus Metall gelenkt wird, um eine Quelle konzentrierter Energie bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Schweißverbindung zwischen den beteiligten sich überlappenden Werkstücken aus Metall zu bewirken. Im Allgemeinen werden zwei oder mehr Werkstücke aus Metall zunächst relativ zueinander ausgerichtet und gestapelt, so dass sich ihre Stoßflächen überlappen und einander gegenüberliegen, um eine (oder mehrere) Stoßschnittstellen zu bilden, die sich durch einen beabsichtigten Schweißort hindurch erstrecken. Dann wird ein Laserstrahl auf eine Oberseite des Werkstückstapels gelenkt und trifft darauf auf. Die aus der Absorption von Energie von dem Laserstrahl erzeugte Wärme leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall nach unten durch das Werkstück aus Metall hindurch, auf das der Laserstrahl auftrifft und in das/die darunterliegenden Werkstücke aus Metall bis zu einer Tiefe ein, dass jede der gebildeten Stoßschnittstellen geschnitten wird. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls groß genug ist, wird innerhalb des Werkstückstapels ein Schlüsselloch erzeugt. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, das Plasma enthalten kann, welches von den Werkstücken aus Metall stammt. Das Schlüsselloch ist von geschmolzenem Werkstückmetall umgeben und es ist ein effektiver Absorber von Energie von dem Laserstrahl, wodurch ein tiefes und schmales Eindringen von geschmolzenem Werkstückmetall in den Stapel hinein im Vergleich mit Fällen ermöglicht wird, bei denen kein Schlüsselloch vorhanden ist.
Der Laserstrahl schmilzt die Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel in sehr kurzer Zeit, sobald er auf die Oberseite des Stapels auftrifft. Nach dem anfänglichen Schmelzen der Werkstücke aus Metall kann ein Strahlpunkt des Laserstrahls über die Oberseite des Werkstückstapels entlang einer vordefinierten Strecke bewegt werden. Wenn der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang der Oberseite des Stapels voranbewegt wird, fließt geschmolzenes Werkstückmetall um den sich voranbewegenden Strahlpunkt herum und dahinter. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmetall kühlt schnell ab und erstarrt zu wieder erstarrtem Verbundmaterial aus Werkstückmetall. Schließlich wird die Übertragung des Laserstrahls auf die Oberseite des Werkstückstapels beendet, wobei zu diesem Zeitpunkt das Schlüsselloch kollabiert und alles noch verbleibende geschmolzene Werkstückmetall im Stapel erstarrt. Das gesamte wiedererstarrte Verbundmaterial aus Werkstückmetall, das durch Lenken des Laserstrahls auf die Oberseite des Stapels und durch Voranbewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang einer Schweißstrecke erhalten wurde, bildet eine Laserschweißverbindung und dient zum autogenen Fusionsverschweißen der sich überlappenden Werkstücke aus Metall.
Die Kraftfahrzeugindustrie zeigt Interesse am Verwenden des Laserschweißens zur Herstellung von Teilen, die an einem Fahrzeug installiert werden können. In einem Beispiel kann der Körper einer Fahrzeugtür aus einem Türinnenblech und einem Türaußenblech hergestellt werden, die durch mehrere Laserschweißverbindungen miteinander verbunden werden. Die Türinnen- und -außenbleche werden zunächst aneinander gestapelt und durch Klammern ortsfest befestigt. Dann wird ein Laserstrahl nacheinander auf mehrere Schweißorte auf den gestapelten Blechen gemäß einer programmierten Sequenz gelenkt, um die mehreren Laserschweißverbindungen zu bilden. Der Prozess des Laserschweißens von Türinnen- und -außenblechen - sowie anderer Fahrzeugkomponententeile wie etwa diejenigen, die zur Herstellung von Motorhauben, Kofferraumdeckeln, Karosseriestrukturen wie Karosserielängsstreben und Querstreben, lasttragenden Strukturelementen, Motorräumen usw. verwendet werden - ist typischerweise ein automatisierter Prozess, der schnell und effizient ausgeführt werden kann. Der vorstehend erwähnte Wunsch, Werkstücke aus Metall durch Laserschweißen zu verschweißen, existiert nicht nur in der Kraftfahrzeugindustrie; tatsächlich erstreckt er sich auf andere Industrien, die Laserschweißen einsetzen könnten, welche unter anderem die Luftfahrt-, Schifffahrt-, Eisenbahn- und Bauindustrie umfassen.
Die Verwendung des Laserschweißens zum Zusammenfügen beschichteter Werkstücke aus Metall, die in der Herstellungspraxis oft verwendet werden, kann Herausforderungen präsentieren. Zum Beispiel enthalten Werkstücke aus Stahl oft eine Oberflächenbeschichtung auf Zinkbasis (z.B. Zink oder eine Zink-Eisen-Legierung) zum Korrosionsschutz. Zink weist einen Siedepunkt von etwa 906°C auf, während der Schmelzpunkt des darunterliegenden Stahlsubstrats, das es bedeckt, typischerweise höher als 1300°C ist. Wenn daher ein Werkstück aus Stahl, das eine Oberflächenbeschichtung auf Zinkbasis enthält, mit Laser geschweißt wird, werden an den Oberflächen des Werkstücks aus Stahl leicht Hochdruck-Zinkdämpfe erzeugt, die eine Tendenz zur Unterbrechung des Laserschweißprozesses aufweisen. Im Speziellen können die Zinkdämpfe, die an der oder den Stoßschnittstellen der Werkstücke aus Stahl erzeugt werden, in die Stahlschmelze hineindiffundieren, die durch den Laserstrahl geschaffen wird, sofern kein alternativer Fluchtweg durch den Werkstückstapel hindurch bereitgestellt wird. Wenn kein angemessener Fluchtweg bereitgestellt wird, können Zinkdämpfe gefangen in der Stahlschmelze verbleiben, während diese abkühlt und erstarrt, was zu Defekten in der resultierenden Laserschweißverbindung führen kann - etwa Porositäten - sowie anderen Schweißverbindungsproblemen wie Lunker, Spritzer und „Undercut“-Verbindungen. Wenn diese Schweißverbindungsprobleme gravierend genug sind, können sie die mechanischen Eigenschaften der Laserschweißverbindung auf unbefriedigende Weise verschlechtern.
Werkstücke aus Stahl, die in der Herstellungspraxis verwendet werden, können auch andere Typen von Oberflächenbeschichtungen aus leistungsbezogenen Gründen anstelle von Beschichtungen auf Zinkbasis enthalten. Andere erwähnenswerte Oberflächenbeschichtungen umfassen Beschichtungen auf Aluminiumbasis, etwa Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung, um nur ein paar Beispiele zu erwähnen. Im Gegensatz zu Oberflächenbeschichtungen auf Zinkbasis sieden Oberflächenbeschichtungen auf Aluminiumbasis nicht bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von Stahl, so dass es unwahrscheinlich ist, dass sie Hochdruckdämpfe an der oder den Stoßschnittstellen des Werkstückstapels erzeugen. Trotz dieser Tatsache können diese Oberflächenbeschichtungen geschmolzen werden, speziell, wenn ein Schlüsselloch vorhanden ist, und sie können sich in dem geschmolzenen Zustand mit der Stahlschmelze vereinigen, die von der Masse der Werkstücke aus Stahl stammt. Das Einbringen derartiger disparater geschmolzener Materialien in die Stahlschmelze kann zu einer Reihe von Schweißdefekten führen, die das Potential zum Verschlechtern der mechanischen Eigenschaften der Laserschweißverbindung aufweisen. Zum Beispiel kann geschmolzenes Aluminium oder können geschmolzene Aluminiumlegierungen (z.B. AISi-, AlZn- oder AlMg-Legierungen) die Reinheit der Stahlschmelze verringern und spröde Metallzwischenphasen aus Fe-Al innerhalb der Schweißverbindung ausbilden sowie das Abkühlverhalten der Stahlschmelze negativ beeinflussen.
Werkstücke aus Aluminium sind ein weiterer faszinierender Kandidat für viele Kraftfahrzeugkomponententeile und -strukturen aufgrund ihrer hohen Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht und ihrer Fähigkeit zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit des Fahrzeugs. Jedoch enthalten Werkstücke aus Aluminium fast immer eine Oberflächenbeschichtung, die ein darunterliegendes Aluminiummassensubstrat bedeckt. Diese Beschichtung kann eine native hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich passiv bildet, wenn Rohaluminium der Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. In anderen Fällen kann die Oberflächenbeschichtung eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxid-Konversionsbeschichtung sein, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. US 2014/0360986 offenbart ist, deren gesamter Offenbarungsgehalt hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Die Oberflächenbeschichtung hemmt eine Korrosion des darunterliegenden Aluminiumsubstrats durch beliebige von mehreren Mechanismen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung, und sie kann auch weitere günstige Verbesserungen bereitstellen.
Eines der Hauptprobleme, das mit dem Laserschweißen von Werkstücken aus Aluminium verbunden ist, ist die relativ hohe Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminiumschmelze. Beim Erstarren der Aluminiumschmelze wird gelöster Wasserstoff eingeschlossen, was zu Porositäten in der Laserschweißverbindung führt. Zusätzlich zu den Problemen, die durch die Löslichkeit von Wasserstoff geschaffen werden, vermutet man, dass die Oberflächenbeschichtung, die üblicherweise in den Werkstücken aus Aluminium umfasst ist, zu der Ausbildung von Schweißdefekten in der Laserschweißverbindung beiträgt. Wenn die Oberflächenbeschichtung von einem oder mehreren der Werkstücke aus Aluminium beispielsweise eine hitzebeständige Oxidbeschichtung ist, können Oxidrückstände die durch den Laserstrahl geschaffene Aluminiumschmelze aufgrund des hohen Schmelzpunkts und der mechanischen Festigkeit der Beschichtung kontaminieren. Wenn die Oberflächenbeschichtung in einem anderen Beispiel aus Zink besteht, kann die Beschichtung leicht verdampfen, um Hochdruck-Zinkdämpfe zu erzeugen, die in die und durch die Aluminiumschmelze hindurch diffundieren können, was zu Porositäten in der Schweißverbindung und zu anderen Schweißdefekten führt, sofern keine Vorkehrungen getroffen werden, um die Zinkdämpfe vom Schweißort weg zu entlüften. Eine Reihe weiterer Probleme kann den Laserschweißprozess außerdem auf eine Weise verkomplizieren, welche die mechanischen Eigenschaften der Laserschweißverbindung nachteilig beeinflusst.
Werkstücke aus Magnesium sind noch ein weiterer faszinierender Kandidat für viele Kraftfahrzeugkomponententeile und -Strukturen aufgrund ihrer hohen Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht - sogar mehr als diejenigen von Werkstücken aus Aluminium - und ihrer Fähigkeit zum Verbessern der Kraftstoffsparsamkeit des Fahrzeugs. Wie auch Werkstücke aus Aluminium enthalten Werkstücke aus Magnesium nahezu immer eine Oberflächenbeschichtung, die ein darunterliegendes Magnesiummassensubstrat bedeckt. Diese Beschichtung kann eine native hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die sich passiv ausbildet, wenn Rohmagnesium der Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. In anderen Fällen kann die Oberflächenbeschichtung eine metallische Konversionsbeschichtung sein, die aus Metalloxiden, Metallphosphaten oder Metallchromaten besteht. Die in dem Werkstück aus Magnesium enthaltene Oberflächenbeschichtung kann zum Schutz des darunterliegenden Magnesiumsubstrats durch einen Schutz gegen beliebige einer Anzahl von Mechanismen beitragen und sie kann außerdem auch zu anderen günstigen Eigenschaften beitragen.
Im Vergleich mit Werkstücken aus Stahl und Aluminium war das Laserschweißen von Werkstücken aus Magnesium historisch eine größere Herausforderung. Das Hauptproblem, das am Laserschweißen von Werkstücken aus Magnesium beteiligt ist, ist die Porosität der Laserschweißverbindung. Diese Porosität kann von eingeschlossenem Gas in den Mikroporen der Magnesiummassensubstrate der Werkstücke aus Magnesium stammen, welches eine Ausdehnung und eine Vereinigung in der Magnesiumschmelze durchlaufen kann, speziell wenn die Werkstücke aus Magnesium ein Magnesiumlegierungsgusssubstrat enthalten. Die Porosität von Schweißverbindungen kann auch von anderen Faktoren stammen, die das Abstoßen von gelöstem Wasserstoff beim Erstarren der Magnesiumschmelze umfassen, die durch den Laserstrahl erzeugt wird. Wenn die Oberflächenbeschichtung des oder der Werkstücke aus Magnesium des Weiteren eine hitzebeständige Oxidbeschichtung ist, kann bei Erhitzung durch den Laserstrahl aus der Magnesium-Wasserstoff-Komponente (aufgrund des Vorhandenseins von Feuchtigkeit) der Oberflächenbeschichtung Wasserdampf entstehen. Der entstandene Wasserdampf kann in die Magnesiumschmelze hinein und dadurch hindurch diffundieren und zur in der Laserschweißverbindung eingeschlossenen Porosität beitragen. Außerdem kann eine Menge weiterer Probleme den Laserschweißprozess stören und zum Ausbilden einer Laserschweißverbindung mit verschlechterten mechanischen Eigenschaften beitragen.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wird offenbart. Der Werkstückstapel enthält zwei oder mehrere Werkstücke aus Metall, wobei alle Werkstücke aus Metall in dem Stapel Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium sind. Mit anderen Worten enthält der Werkstückstapel zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl, zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Aluminium oder zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Magnesium. Die in jedem der vorstehend erwähnten Werkstückstapel enthaltenen verschiedenen Werkstücke aus Metall zeigen Probleme beim Versuch, die Werkstücke mit einem Laserstrahl miteinander zu verbinden, bei verschiedenen Implementierungen des Laserschweißens, die Laserschweißen aus der Ferne und herkömmliches Laserschweißen umfassen. Das offenbarte Verfahren zum Laserschweißen versucht, diesen Problemen entgegenzuwirken, indem es die Brennpunktposition des Laserstrahls beim Ausbilden einer Laserschweißverbindung zyklisch verändert, während der Laserstrahl vorzugsweise auf einem konstanten Leistungsniveau und einer konstanten Verfahrgeschwindigkeit gehalten wird. Die Effektivität des wiederholten Veränderns der Brennpunktposition ermöglicht, dass das offenbarte Laserschweißverfahren ausgeführt werden kann, ohne dass die herkömmliche Industriepraxis des absichtlichen Anordnens von Spalten zwischen den Werkstücken aus Metall an der oder den Stoßschnittstellen, typischerweise durch Aufrauen durch Laser oder Ausbilden mechanischer Vertiefungen als einen Mechanismus zum Versuchen, die Diffusion von Dämpfen in das geschmolzene Werkstückmetall hinein zu erleichtern, benötigt wird - aber selbstverständlich nicht verhindert wird.
Das offenbarte Laserschweißverfahren umfasst das Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält (z.B. zwei oder mehr sich überlappende Werkstücke aus Stahl, Aluminium oder Magnesium). Die Werkstücke aus Metall werden aneinander derart angepasst und gestapelt, dass eine Stoßschnittstelle zwischen den Stoßflächen jedes Paars von benachbarten sich überlappenden Werkstücken aus Metall an einem Schweißort ausgebildet wird. Zum Beispiel enthält der Werkstückstapel in einer Ausführungsform erste und zweite Werkstücke aus Metall, die jeweils erste und zweite Stoßflächen aufweisen, die sich überlappen und einander gegenüberliegen, um eine einzige Stoßschnittstelle zu bilden. In einer anderen Ausführungsform enthält der Werkstückstapel ein zusätzliches drittes Werkstück aus Metall, das sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall befindet. Auf diese Weise weisen das erste und zweite Werkstück aus Metall jeweils erste und zweite Stoßflächen auf, die sich mit einander entgegengesetzten Stoßflächen des dritten Werkstücks aus Metall überlappen und diesen gegenüberliegen, um zwei Stoßschnittstellen zu bilden. Wenn ein drittes Werkstück aus Metall vorhanden ist, können das erste und zweite Werkstück aus Metall separate und getrennte Teile sein oder sie können alternativ verschiedene Abschnitte des gleichen Teils sein, etwa wenn ein Rand von einem Teil über einen freien Rand eines anderen Teils gefaltet wird.
Nachdem der Werkstückstapel zusammengebaut und bereitgestellt wurde, wird ein Laserstrahl auf eine Oberseite des Werkstückstapels gelenkt. Der Laserstrahl trifft bei einem Strahlpunkt auf die Oberseite auf. Der Begriff „Strahlpunkt“ bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, weit gefasst den Schnittflächenbereich des Laserstrahls, wenn er auf eine Ebene projiziert wird, die entlang der Oberseite des Werkstückstapels orientiert ist. Die fokussierte Energie des Laserstrahls wird von den Werkstücken aus Metall absorbiert, um ein Schmelzbad aus Metallschmelze zu erzeugen, das von der Oberseite in Richtung auf die Unterseite in den Werkstückstapel eindringt, wobei es jede Stoßschnittstelle schneidet, die in dem Stapel gebildet wurde. Die Leistungsdichte des gelieferten Laserstrahls wird so gewählt, dass das Praktizieren des Laserschweißens entweder in einem Konduktions-Schweißmodus oder einem Schlüsselloch-Schweißmodus ausgeführt wird. Im Konduktions-Schweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls relativ niedrig und die Energie des Laserstrahls wird als Wärme durch die Werkstücke aus Metall geleitet, um lediglich das Schmelzbad aus Metallschmelze zu erzeugen. Im Schlüsselloch-Schweißmodus ist die Leistungsdichte des Laserstrahls groß genug, um die Werkstücke aus Metall unter dem Strahlpunkt des Laserstrahls zu verdampfen, um ein Schlüsselloch zu erzeugen, das von dem Schmelzbad aus Metallschmelze umgeben ist. Das Schlüsselloch stellt eine Leitung zur effizienten Energieabsorption tiefer in den Werkstückstapel hinein bereit, welche wiederum ein tieferes und schmaleres Eindringen des Schmelzbads aus Metallschmelze ermöglicht. Das Schmelzbad aus Metallschmelze und das Schlüsselloch, wenn es ausgebildet ist, können den Werkstückstapel vollständig oder teilweise durchdringen.
Der Strahlpunkt des Laserstrahls wird relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang eines Strahlbewegungsmusters im Anschluss an das Erzeugen des Schmelzbads aus Metallschmelze und optional des Schlüssellochs voranbewegt. Das Voranbewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters verschiebt das Schlüsselloch und das Schmelzbad aus Metallschmelze entlang einer Route, die der mustergestützten Bewegung des Strahlpunkts relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entspricht. Darüber hinaus verursacht das Voranbewegen des Strahlpunkts entlang des Strahlbewegungsmusters, dass das Schmelzbad aus Metallschmelze um den Strahlpunkt herum und dahinter fließt - speziell, wenn ein Schlüsselloch vorhanden ist - und sich im Kielwasser des sich voranbewegenden Strahlpunkts verlängert. In Abhängigkeit von der Geometrie des Strahlbewegungsmusters kann das Schmelzbad aus Metallschmelze zu einer definierten Spur hinter der Vorwärtsbewegung des Strahlpunkts erstarren oder es kann sich vermischen und zu einer größeren Schmelzpfütze anwachsen, die zu einer konsolidierten Linse erstarrt. Unabhängig von seiner endgültigen Gestalt und Struktur besteht das wiedererstarrte Verbundmaterial der Werkstücke aus Metall, das aus dem Verschieben des Schmelzbads aus Metallschmelze durch den Werkstückstapel erhalten wird, aus Material von jedem der Werkstücke aus Metall, in die das Schmelzbad eingedrungen ist. Das gesamte wiedererstarrte Verbundmaterial der Werkstücke aus Metall bildet die Laserschweißverbindung, welche die Werkstücke miteinander autogen fusionsverschweißt.
Während eines Teils der Zeit oder der gesamten Zeit, in der der Laserstrahl (und damit der Strahlpunkt) entlang des Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird, wird die Position des Brennpunkts des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer Dimension oszillieren gelassen, die quer zu der Oberseite orientiert ist. Die Querdimension, entlang welcher die Position des Brennpunkts oszillieren gelassen wird, ist parallel zu einer Längsachse des Laserstrahls und kann folglich senkrecht zu einer Eben der Oberseite orientiert oder etwa in dem Fall, bei dem der Laserstrahl einen Einfallswinkel von bis zu 60° aufweist, geneigt sein. Das Oszillierenlassen der Brennpunktposition des Laserstrahls umfasst ein zyklisches Verändern der Distanz zwischen dem Brennpunkt und der Oberseite des Werkstückstapels, welche hier als die „Brennpunktdistanz“ bezeichnet wird und entlang der Längsachse des Laserstrahls gemessen wird. Insbesondere ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Brennpunktoszillation linear oder wellenförmig und sie ist zwischen konstanten minimalen Brennpunktpositionen (von der Übertragungsquelle des Laserstrahls am weitesten entfernt) und konstanten maximalen Brennpunktpositionen (der Übertragungsquelle des Laserstrahls am nächsten gelegen) begrenzt. Die Brennpunktoszillation kann als Funktion der Zeit periodisch oder nicht periodisch sein. Eine periodische Oszillation zeigt konsistente Veränderungen bei der Brennpunktdistanz über regelmäßige Zeitintervalle hinweg, und eine nicht periodische Oszillation ist eine, die nicht als periodisch betrachtet wird. Die Brennpunktoszillation kann langsam oder schnell ausgeführt werden, aber sie wird in vielen Fällen mit einer Frequenz zwischen 10 Hz und 6000 Hz ausgeführt.
Man vermutet, dass die Brennpunktoszillationen eine positive Auswirkung auf die Festigkeit und andere mechanische Eigenschaften der erhaltenen Laserschweißverbindung aufweisen. Diese Resultate können realisiert werden, da das Oszillierenlassen des Brennpunkts effektiv die Leistungsdichte und die Wärmeeingabe des Laserstrahls über die Zeit verändert, speziell wenn das Leistungsniveau und die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls konstant gehalten werden, was dazu beitragen kann, die Temperatur des Schmelzbads aus Metallschmelze zu begrenzen, wodurch ermöglicht wird, dass das Schmelzbad bei einer niedrigeren Temperatur gehalten wird, als es beim Fehlen der Brennpunktoszillationen ansonsten der Fall wäre. Die Fähigkeit zum Regeln und Beibehalten einer niedrigeren Temperatur in dem Schmelzbad aus Metallschmelze unterstützt eine bessere Festigkeit und Eigenschaften in der erhaltenen Laserschweißverbindung durch Reduzieren der Löslichkeit bestimmter gasförmiger Substanzen (z.B. Zink, Wasserstoff usw.) im Schmelzband. Und wenn geringere Mengen gelöster Gase in dem Schmelzbad aus Metallschmelze gelöst werden, gibt es eine geringere Tendenz zum Ausbilden von Porositäten in der Laserschweißverbindung, wenn das Schmelzbad erstarrt. Zudem kann das Oszillierenlassen der Position des Brennpunkts das Schmelzbad aus Metallschmelze umrühren und das Schmelzbad sogar wachsen und schrumpfen lassen, wenn die Brennpunktoszillationen wellenförmiger Natur sind. Dieses induzierte Umrühren des Schmelzbads aus Metallschmelze trägt zum Fördern des Freisetzens von Gasen bei, die in der Materialschmelze des Schmelzbads eingeschlossen sind, und verringert dadurch die Neigung zum Ausbilden von Porositäten in der erhaltenen Laserschweißverbindung. Andere Schweißverbindungsmängel - etwa Spritzer, Lunker und Undercut-Verbindungen - können ebenfalls minimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne verwendet, um die Laserschweißverbindung im Werkstückstapel auszubilden. Die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne enthält einen optischen Laserabtastkopf, der indizierbare optische Komponenten beherbergt, welche den Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu und entlang der Oberseite des Werkstückstapels in einer großen Vielfalt einfacher und komplexer Strahlbewegungsmuster bewegen können, während gleichzeitig die Position des Brennpunkts des Laserstrahls wie gewünscht oszillieren gelassen wird. Obwohl das Laserschweißen aus der Ferne eine bevorzugte Herangehensweise zum Koordinieren des programmierten Strahlbewegungsmusters und der Oszillationen der Brennpunktposition, die für das offenbarte Laserschweißverfahren benötigt werden, ist, können auch andere Formen von Laserschweißen eingesetzt werden. Beispielsweise kann das offenbarte Laserschweißverfahren auch durch eine herkömmliche Laserschweißvorrichtung ausgeführt werden, das sich auf eine Präzisionsroboterbewegung ihres Laserkopfs stützt, um eine Bewegung des Laserstrahls relativ zu und entlang der Oberseite sowie der Position des Brennpunkts zu bewirken. Des Weiteren können andere, hier nicht speziell erwähnte, Laserschweißvorrichtungen verwendet werden, sofern sie das Nachführen des designierten Strahlbewegungsmusters und der begleitenden Brennpunktoszillationen unterstützen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne, um eine Laserschweißverbindung in einem Werkstückstapel auszubilden, der zwei oder mehr Werkstücke aus Metall enthält, wobei die Laserschweißverbindung die zwei oder mehreren Werkstücke aus Metall miteinander fusionsverschweißt;
1A ist eine vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten Laserstrahls, die einen Brennpunkt und eine Längsachse eines allgemeinen Laserstrahls zeigt;
2 ist eine Querschnittsseitenansicht des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Metallschmelze und einem Schlüsselloch, die von einem Laserstrahl erzeugt werden, wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch den Werkstückstapel während des Laserschweißens vollständig durchdringen, und die ferner den Brennpunkt des Laserstrahls zeigt, der an einer maximalen Brennpunktposition eines Brennpunktkomponentendurchlaufs positioniert ist;
3 ist eine Querschnittsseitenansicht des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Metallschmelze und einem Schlüsselloch, die von einem Laserstrahl erzeugt werden, wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch den Werkstückstapel während des Laserschweißens vollständig durchdringen und die ferner den Brennpunkt des Laserstrahls zeigt, der an einer minimalen Brennpunktposition eines Brennpunktkomponentendurchlaufs positioniert ist;
4 ist eine Draufsicht im Schnitt (entlang Linie 4-4 in 2) eines Strahlpunkts des Laserstrahls, der auf eine Ebene projiziert ist, die entlang der Oberseite des Werkstückstapels orientiert ist;
5 ist eine Querschnittsseitenansicht des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Metallschmelze und einem Schlüsselloch, die von einem Laserstrahl erzeugt werden, wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch während des Laserschweißens teilweise in den Werkstückstapel eindringen, und die ferner den Brennpunkt des Laserstrahls zeigt, der an einer maximalen Brennpunktposition eines Brennpunktkomponentendurchlaufs positioniert ist;
6 ist eine Querschnittseitenansicht des in 1 dargestellten Werkstückstapels zusammen mit einem Schmelzbad aus Metallschmelze und einem Schlüsselloch, die von einem Laserstrahl erzeugt werden, wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch während des Laserschweißens teilweise in den Werkstückstapel eindringen, und die ferner den Brennpunkt des Laserstrahls zeigt, der an einer maximalen Brennpunktposition des Brennpunktkomponentendurchlaufs positioniert ist;
7 ist eine Seitenaufrissansicht des Laserstrahls, die die Position des Brennpunkts des Laserstrahls darstellt, der auf lineare Weise oszillieren gelassen wird;
8 ist eine Seitenaufrissansicht des Laserstrahls, die die Position des Brennpunkts des Laserstrahls darstellt, der auf wellenförmige Weise oszillieren gelassen wird;
9 ist eine graphische Darstellung der Brennpunktposition des Laserstrahls, die entlang einer Reihe von Brennpunktkomponenten zwischen konstanten maximalen und minimalen Brennpunktpositionen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des offenbarten Laserschweißverfahrens oszillieren gelassen wird;
10 ist eine Draufsicht auf die Oberseite des Werkstückstapels während des Laserschweißens in Übereinstimmung mit dem offenbarten Verfahren, bei dem der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer Schweißstrecke eines allgemeinen repräsentativen Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird;
11 stellt eine Ausführungsform des auf die Oberseite des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Strahlpunkt des Laserstrahls während der Ausbildung einer Laserschweißverbindung zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann;
12 stellt eine weitere Ausführungsform des auf die Oberseite des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Strahlpunkt des Laserstrahls während der Ausbildung einer Laserschweißverbindung zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann;
13 stellt noch eine weitere Ausführungsform des auf die Oberseite des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Strahlpunkt des Laserstrahls während der Ausbildung einer Laserschweißverbindung zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann;
14 stellt noch eine weitere Ausführungsform des auf die Oberseite des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Strahlpunkt des Laserstrahls während der Ausbildung einer Laserschweißverbindung zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann;
15 stellt noch eine weitere Ausführungsform des auf die Oberseite des Werkstückstapels projizierten Strahlbewegungsmusters dar, dem der Strahlpunkt des Laserstrahls während der Ausbildung einer Laserschweißverbindung zwischen den zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, folgen kann;
16 ist eine Querschnittsseitenansicht des Werkstückstapels aus der gleichen Perspektive wie in 2, wobei das Schmelzbad aus Metallschmelze und das Schlüsselloch den Stapel vollständig durchdringen, obwohl der Werkstückstapel hier drei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, die zwei Stoßschnittstellen bilden, im Gegensatz zu zwei sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die eine einzige Stoßschnittstelle bilden, wie in 2 dargestellt ist; und
17 ist eine Querschnittsseitenansicht des Werkstückstapels aus der gleichen Perspektive, wie in 3, wobei das Schmelzbad aus Metallschmelze und das Schlüsselloch den Stapel vollständig durchdringen, obwohl der Werkstückstapel hier drei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, die zwei Stoßschnittstellen bilden, im Gegensatz zu zwei sich überlappenden Werkstücken aus Metall, die eine einzige Stoßschnittstelle bilden, wie in 3 dargestellt ist.

GENAUE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall besteht, umfasst das Ausbilden einer Laserschweißverbindung durch Oszillierenlassen einer Position eines Brennpunkts eines Laserstrahls relativ zu einer Oberseite des Stapels entlang einer Dimension, die quer zu einer Oberseite orientiert ist, für zumindest einen Teil der Zeit, in der der Laserstrahl relativ zu einer Ebene der Oberseite entlang eines Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird. Jede Art von Laserschweißvorrichtung einschließlich von Vorrichtungen zum Laserschweißen aus der Ferne und von herkömmlichen Laserschweißvorrichtungen kann verwendet werden, um die Laserschweißverbindung auszubilden, während der Brennpunkt des Laserstrahls oszillieren gelassen wird und dem Strahlbewegungsmuster gefolgt wird. Der Laserstrahl kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften und Zusammensetzungen der Werkstücke aus Metall, die zusammengefügt werden, und von der verwendeten Laserschweißvorrichtung ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl sein. Einige erwähnenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein Direkt-Dioden-Laser und ein Nd:YAG-Laser, und ein erwähnenswerter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO₂-Laser, obwohl andere Arten von Lasern selbstverständlich verwendet werden können. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, welche nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, wird eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben, um die Laserschweißverbindung auszubilden.
Das Laserschweißverfahren kann an einer Vielfalt von Werkstückstapelkonfigurationen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einem „2T“-Werkstückstapel (2 - 3 und 5 - 6) verwendet werden, der zwei sich überlappende und benachbarte Werkstücke aus Metall enthält, oder es kann in Verbindung mit einem „3T“-Werkstückstapel (16 - 17) verwendet werden, der drei sich überlappende und benachbarte Werkstücke aus Metall enthält. Des Weiteren kann das offenbarte Verfahren in einigen Fällen in Verbindung mit einem „4T“-Werkstückstapel (nicht gezeigt) verwendet werden, der vier sich überlappende und benachbarte Werkstücke aus Metall enthält. Die mehreren Werkstücke aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, können, falls gewünscht, ähnliche oder unähnliche Zusammensetzungen aufweisen, vorausgesetzt sie sind Teil der gleichen Basismetallgruppe (z.B. Stahl, Aluminium oder Magnesium). Das Laserschweißverfahren wird auf im Wesentlichen die gleiche Weise ausgeführt, um die gleichen Resultate unabhängig davon zu erzielen, ob der Werkstückstapel zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall oder mehr als zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält. Alle Unterschiede in Werkstückstapelkonfigurationen können durch Justieren des Laserschweißprozesses leicht untergebracht werden.
Mit Bezug nun allgemein auf 1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels 10 gezeigt, bei dem der Stapel 10 mindestens ein erstes Werkstück 12 aus Metall und ein zweites Werkstück 14 aus Metall enthält, die sich an einem Schweißort 16 überlappen, an dem das offenbarte Laserschweißverfahren unter Verwendung einer Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne ausgeführt wird. Das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall stellen eine Oberseite 20 bzw. eine Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 ist für die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zur Verfügung gestellt und sie ist zugänglich für einen Laserstrahl 24, der aus der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne entspringt. Und da nur ein einseitiger Zugang benötigt wird, um das Laserschweißen auszuführen, besteht keine Notwendigkeit dafür, dass die Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 auf die gleiche Weise zur Verfügung gestellt wird. Die Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ sind daher relative Bezeichnungen, welche die Oberfläche des Stapels 10, die der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zugewandt ist (Oberseite) und die Oberfläche des Stapels 10, die in die entgegengesetzte Richtung weist, bezeichnen. Darüber hinaus ist der Einfachheit halber in den Figuren zwar nur ein Schweißort 16 dargestellt, jedoch wird der Fachmann feststellen, dass das Laserschweißen in Übereinstimmung mit dem offenbarten Laserschweißverfahren an mehreren verschiedenen Schweißorten ausgeführt werden kann, die über den gleichen Werkstückstapel hinweg verteilt sind.
Der Werkstückstapel 10 kann nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall enthalten, wie in 2 - 3 und 5 - 6 gezeigt ist. Unter diesen Umständen und wie in 2 - 3 am besten gezeigt ist, enthält das erste Werkstück 12 aus Metall eine Außenfläche 26 und eine erste Stoßfläche 28 und das zweite Werkstück 14 aus Metall enthält eine Außenfläche 30 und eine zweite Stoßfläche 32. Die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall stellt die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 bereit, und die Außenfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall stellt die entgegengesetzt gerichtete Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Und da die beiden Werkstücke 12, 14 aus Metall die einzigen Werkstücke sind, die in dieser Ausführungsform des Werkstückstapels 10 vorhanden sind, überlappen sich die erste und zweite Stoßfläche 28, 32 der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall und liegen einander gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 34 zu bilden, die sich durch den Schweißort 16 hindurch erstreckt. In anderen Ausführungsformen des offenbarten Laserschweißverfahrens, von denen eine nachstehend in Verbindung mit 16 - 17 beschrieben wird, kann der Werkstückstapel ein zusätzliches Werkstück aus Metall enthalten, das zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall angeordnet ist, um den Stapel 10 mit drei Werkstücken aus Metall anstelle von 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, welche die Laserschweißpraxis bewältigen kann. Zum Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 bilden, wobei sie in direktem oder indirektem Kontakt stehen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht oder durch Spalte getrennt sind, die nicht innerhalb normaler Montagetoleranzbereiche liegen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht wie etwa einen Strukturklebstoff getrennt sind - und daher nicht die Art von Schnittstellenaneinandergrenzung zeigen, die für den direkten Kontakt typisch ist - sich jedoch in einer Nähe befinden, die nahe genug ist, dass das Laserschweißen durchgeführt werden kann. Als weiteres Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 bilden, indem sie durch Spalte getrennt werden, die beabsichtigt eingeführt werden. Diese Spalte können zwischen den Stoßflächen 28, 32 eingeführt werden, indem an einer oder an beiden Stoßflächen 28, 32 vorspringende Merkmale durch Laserritzen, mechanisches Bilden von Vertiefungen oder auf andere Weise erzeugt werden. Die vorspringenden Merkmale halten verteilte Kontaktpunkte zwischen den Stoßflächen 28, 32 aufrecht, welche die Stoßflächen 28, 32 außerhalb und um die Kontaktpunkte herum bis hin zu 1,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm auf Abstand halten.
Immer noch mit Bezug auf 2 - 3 enthält das erste Werkstück 12 aus Metall ein erstes Basismetallsubstrat 36, und das zweite Werkstück 14 aus Metall enthält ein zweites Basismetallsubstrat 38. Das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 können aus Stahl, Aluminium oder Magnesium unter der Voraussetzung bestehen, dass alle Basismetallsubstrate 36, 38 Teil der gleichen Basismetallgruppe sind; das heißt, dass das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 beide aus Stahl bestehen, beide aus Aluminium bestehen oder beide aus Magnesium bestehen. Mindestens eines der ersten oder zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 kann eine Oberflächenbeschichtung 40 enthalten. Die eine oder die mehreren Oberflächenbeschichtungen 40 können aus verschiedenen Gründen auf einem oder auf beiden Basismetallsubstraten 36, 38 verwendet werden, welche neben weiteren Gründen Korrosionsschutz, Festigkeitsverbesserung und/oder Verbesserung der Verarbeitung umfassen, und die Zusammensetzung der Beschichtungen 40 beruht zu einem großen Teil auf der Zusammensetzung der darunterliegenden Basismetallsubstrate 36, 38. Wenn man die Dicke der Basisstahlsubstrate 36, 38 und optionaler Oberflächenbeschichtungen 40 berücksichtigt, liegen sowohl eine Dicke 121 des ersten Werkstücks 12 aus Metall als auch eine Dicke 141 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 4,0 mm, zumindest am Schweißort 16. Die Dicken 121, 141 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Metall können gleich oder voneinander verschieden sein.
Jedes der ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 kann mit einer Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet sein, wie hier in 2 - 3 gezeigt ist. Die Oberflächenbeschichtungen 40 wiederum stellen die Werkstücke 12, 14 aus Metall mit ihren jeweiligen Außenflächen 26, 30 und ihren jeweiligen Stoßflächen 28, 32 bereit. In einer anderen Ausführungsform enthält nur das erste Basismetallsubstrat 36 eine Oberflächenbeschichtung 40, während das zweite Metallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist. Unter diesen Umständen versorgt die Oberflächenbeschichtung 40, welche das erste Basismetallsubstrat 36 bedeckt, das erste Werkstück 12 aus Metall mit seinen Außen- und Stoßflächen 26, 28, während das zweite Basismetallsubstrat 38 das zweite Werkstück 14 aus Metall mit seinen Außen- und Stoßflächen 30, 32 versorgt. In noch einer weiteren Ausführungsform enthält nur das zweite Basismetallsubstrat 38 die Oberflächenbeschichtung 40, während das erste Basismetallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist. Folglich versorgt in diesem Fall das erste Basismetallsubstrat 36 das erste Werkstück 12 aus Metall mit seinen Außen- und Stoßflächen 26, 28, während die Oberflächenbeschichtung 40, die das zweite Basismetallsubstrat 38 bedeckt, das zweite Werkstück 14 aus Metall mit seinen Außen- und Stoßflächen 30, 32 versorgt.
Die Basismetallsubstrate 36, 38 können beliebige einer großen Vielfalt von Metallformen und Zusammensetzungen annehmen, die in die weit gefasst erwähnten Basismetallgruppen aus Stahl, Aluminium und Magnesium fallen. Wenn sie beispielsweise aus Stahl bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (die hier für den Moment als das erste und zweite Basisstahlsubstrat 36, 38 bezeichnet werden) separat aus beliebigen einer großen Vielfalt von Stählen bestehen, die einen kohlenstoffarmen Stahl (Mildstahl), einen Stahl ohne interstitiell eingelagerte Bestandteile (IF-Stahl), einen Bake-Hardening-Stahl, einen Stahl mit hoher Festigkeit und niedriger Legierung (HSLA-Stahl), einen Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einen Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einen Martensit-Stahl (MART-Stahl), einen Stahl mit transformationsinduzierter Plastizität (TRIP-Stahl), einen Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl) und einen Bor-Stahl umfassen, etwa wenn die Werkstücke 12, 14 einen pressgehärteten Stahl (PHS-Stahl) enthalten. Darüber hinaus kann jedes der ersten und zweiten Basisstahlsubstrate 36, 38 behandelt worden sein, um einen speziellen Satz von mechanischen Eigenschaften zu erhalten, was umfasst, dass sie Wärmebehandlungsprozessen unterzogen wurden, etwa Glühen, Abschrecken und/oder Tempern. Das erste und zweite Basisstahlsubstrat 36, 38 können auf ihre endgültige Dicke warm- oder kaltgewalzt werden und sie können vorverarbeitet sein, damit sie ein spezielles Profil aufweisen, das zur Montage in den Werkstückstapel 10 geeignet ist.
Die Oberflächenbeschichtung 40, die auf einem oder beiden der Basisstahlsubstrate 36, 38 vorhanden ist, besteht vorzugsweise aus einem Material auf Zinkbasis oder einem Material auf Aluminiumbasis. Einige Beispiele für ein Material auf Zinkbasis umfassen Zink oder eine Zinklegierung wie etwa eine Zink-NickelLegierung oder Zink-Eisen-Legierung. Eine besonders bevorzugte Zink-Eisen-Legierung, die verwendet werden kann, weist eine durchschnittliche Massenzusammensetzung auf, die 8% Gewichtsanteil bis 12% Gewichtsanteil Eisen und 0,5% Gewichtsanteil bis 4% Gewichtsanteil Aluminium enthält, wobei der Rest (in Gewichtsanteilen) aus Zink besteht. Eine Beschichtung eines Materials auf Zinkbasis kann durch Feuerverzinken (feuerverzinkte Zinkbeschichtung), Elektrogalvanisierung (elektrogalvanisierte Zinkbeschichtung) oder Galvannealing (Galvanneal-Zink-Eisen-Legierung) typischerweise bis zu einer Dicke zwischen 2 µm und 50 µm aufgebracht werden, obwohl andere Verfahren und Dicken der erreichten Beschichtungen verwendet werden können. Einige Beispiele für ein geeignetes Material auf Aluminiumbasis umfassen Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung und eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Eine Beschichtung eines Materials auf Aluminiumbasis kann durch Tauchbeschichtung aufgebracht werden, typischerweise auf eine Dicke zwischen 2 µm und 30 µm, obwohl andere Beschichtungsprozeduren und Dicken der erreichten Beschichtungen verwendet werden können. Wenn man die Dicken der Basisstahlsubstrate 36, 38 und deren Oberflächenbeschichtungen 40, falls vorhanden, berücksichtigt, liegt die Gesamtdicke von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Werkstück 12, 14 aus Stahl vorzugsweise im Bereich von 0,4 mm bis 4,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 2,0 mm, zumindest am Schweißort 16.
Wenn das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 aus Aluminium bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (die hier momentan als das erste und zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 bezeichnet werden) separat aus nicht legiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Gewichtsanteil Aluminium enthält. Einige erwähnenswerte Aluminiumlegierungen, die das erste und/oder das zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Zusätzlich kann jedes der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 separat in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann jedes der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 aus einer Blechschicht einer geschmiedeten Aluminiumlegierung der Serien 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx bestehen, einem extrudierten, geschmiedeten oder anders bearbeiteten Artikel, oder einem Aluminiumlegierungsguss der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, die für das erste und/oder zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 verwendet werden können, umfassen Aluminium-Magnesium-Legierungen AA5182 und AA5754, Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen AA6011 und AA6022, Aluminium-Zink-Legierungen AA7003 und AA7055 und eine Aluminiumdruckgusslegierung Al-10Si-Mg. Das erste und/oder zweite Basisaluminiumsubstrat 36, 38 kann in einer Vielfalt von Härtegraden verwendet werden, welche geglüht (O), kaltgehärtet (H) und wärmebehandelt (T) umfassen.
Die auf einem oder beiden Basisaluminiumsubstraten 36, 38 vorhandene Oberflächenbeschichtung 40 kann eine native hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die aus Aluminiumoxidbestandteilen besteht, die sich passiv ausbildet, wenn rohes Aluminium von dem Basisaluminiumsubstrat 36, 38 der Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxid-Konversionsbeschichtung sein, die aus Oxiden aus Titan, Zirkon, Chrom oder Silizium besteht, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nummer US 2014/0360986 offenbart ist. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Weise, auf welche die Beschichtung 40 hergeleitet wird, im Bereich von 1 nm bis 10 µm, obwohl andere Dicken verwendet werden können. Passiv ausgebildete hitzebeständige Oxidbeschichtungen weisen beispielsweise oft Dicken auf, die in einem Bereich von 2 nm bis 10 nm liegen, wenn das darunterliegende Aluminiummaterial eine Aluminiumlegierung ist. Bei Berücksichtigung der Dicken der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 und ihrer Oberflächenbeschichtungen 40, falls vorhanden, liegt die Gesamtdicke von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Werkstück 12, 14 aus Aluminium vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest am Schweißort 16.
Wenn das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 aus Magnesium bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (die für den Moment als das erste und zweite Basismagnesiumsubstrat 36, 38 bezeichnet werden) separat aus nicht legiertem Magnesium oder einer Magnesiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Gewichtsanteil Magnesium enthält. Einige erwähnenswerte Magnesiumlegierungen, die das erste und/oder zweite Basismagnesiumsubstrat 36, 38 bilden können, sind eine Magnesium-Zink-Legierung, eine Magnesium-Aluminium-Legierung, eine Magnesium-Aluminium-Zink-Legierung, eine Magnesium-Aluminium-Silizium-Legierung und eine Legierung aus Magnesium und seltenen Erden. Zudem kann jedes der Basismagnesiumsubstrate 36, 38 separat in geschmiedeter (Blatt, Extrusion, Schmieden, oder anders bearbeiteter Artikel) oder gegossener Form bereitgestellt werden. Ein paar spezielle Beispiele für Magnesiumlegierungen, die für das erste und/oder zweite Basismagnesiumsubstrat 36, 38 verwendet werden können, umfassen ohne Einschränkung eine Druckguss- oder geschmiedete (extrudiert oder Blatt) Magnesiumlegierung AZ91 D, eine Druckguss- oder extrudierte (extrudiert oder Blatt) Magnesiumlegierung AZ31 B und eine Druckguss-Magnesiumlegierung AM60B. Das erste und/oder zweite Basismagnesiumsubstrat 36, 38 können in einer Vielfalt von Härtegraden verwendet werden, welche geglüht (O), kaltgehärtet (A) und wärmebehandelt (W) umfassen.
Die Oberflächenbeschichtung 40, die auf einem oder beiden Basismagnesiumsubstraten 36, 38 vorhanden ist, kann eine native hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die aus Magnesiumoxidbestandteilen (und möglicherweise Magnesiumhydroxidbestandteilen) besteht, die sich passiv ausbildet, wenn rohes Magnesium von dem Basismagnesiumsubstrat 36, 38 der Luft der Atmosphäre oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Konversionsbeschichtung sein, die aus Metalloxiden, Metallphosphaten oder Metallchromaten besteht. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Weise, auf welche die Beschichtung 40 hergeleitet wird, in einem Bereich von 1 nm bis 10 µm, obwohl andere Dicken verwendet werden können. Zum Beispiel weisen passiv ausgebildete hitzebeständige Oxidbeschichtungen oft Dicken auf, die in einem Bereich von 2 nm bis 10 nm liegen, wenn das darunterliegende Magnesiummaterial eine Magnesiumlegierung ist. Wenn die Dicken der Basismagnesiumsubstrate 36, 38 und deren Oberflächenbeschichtungen 40, falls vorhanden, berücksichtigt werden, liegt die Gesamtdicke von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Werkstück 12, 14 aus Magnesium vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest am Schweißort 16.
Wieder mit Bezug auf 1 enthält die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 42. Der optische Laserabtastkopf 42 lenkt den Laserstrahl 24 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10, welche hier durch die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall bereitgestellt ist. Der gelenkte Laserstrahl 24 trifft auf die Oberseite 20 auf und er weist, wie in 4 gezeigt ist, einen Strahlpunkt 44 auf, welcher die Schnittfläche des Laserstrahls 24 auf einer Ebene ist, die entlang der Oberseite 20 des Stapels 10 orientiert ist. Der optische Laserabtastkopf 42 ist vorzugsweise auf einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, der den Laserkopf 42 schnell und genau an viele verschiedene vorgewählte Schweißorte 16 an dem Werkstückstapel 10 in einer schnellen programmierten Folge befördern kann. Der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 42 verwendete Laserstrahl 24 ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet (der allgemein als zwischen 700 nm und 1400 nm liegend betrachtet wird). Zudem weist der Laserstrahl 24 eine Leistungsniveaukapazität auf, die eine Leistungsdichte erreichen kann, die ausreicht, um falls gewünscht ein Schlüsselloch in dem Werkstückstapel 10 während der Ausbildung der Laserschweißverbindung zu erzeugen. Die Leistungsdichte, die zum Erzeugen eines Schlüssellochs innerhalb der sich überlappenden Werkstücke aus Metall benötigt wird, liegt typischerweise in dem Bereich von 0,5 - 1,5 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 Direkt-Dioden-Laserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine Glasfaser 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 Yttriumdotierter Yttrium-Aluminium-Granatkristall (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 aus mehreren Dioden abgeleitet ist, in denen das Verstärkungsmedium aus mehreren Halbleitern besteht, etwa denjenigen, die auf Aluminium-Gallium-Arsenid (AIGaAs) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) beruhen. Lasergeneratoren, die jeden dieser Typen von Lasern sowie andere Varianten erzeugen können, sind kommerziell verfügbar. Selbstverständlich können auch andere Festkörperlaserstrahlen, die hier nicht speziell erwähnt sind, verwendet werden.
Der optische Laserabtastkopf 42 enthält eine Anordnung von Spiegeln 46, die den Laserstrahl 24 manövrieren können und damit den Strahlpunkt 44 entlang der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb einer Betriebshüllkürze 48, welche den Schweißort 16 umfasst, befördern können. Hier ist, wie in 1 dargestellt ist, der Teil der Oberseite 20, der von der Betriebshüllkurve 48 überspannt wird, als x-y-Ebene beschriftet, da die Position des Laserstrahls 24 innerhalb der Ebene durch die „x“- und „y“-Koordinaten eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert wird. Zusätzlich zu der Anordnung von Spiegeln 46 enthält der optische Laserabtastkopf 42 außerdem eine Sammellinse 50 auf der z-Achse, welche einen Brennpunkt 52 (1A) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse 54 des Laserstrahls 24 bewegen kann, um damit den Ort des Brennpunkts 52 in einer z-Richtung zu verändern, die rechtwinklig zu der x-y-Ebene in dem dreidimensionalen Koordinatensystem orientiert ist, das in 1 gebildet wurde. Um außerdem zu verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen die Komponenten des optischen Systems und die Integrität des Laserstrahls 24 nachteilig beeinflussen, kann eine Abdeckscheibe 56 unter dem optischen Laserabtastkopf 42 angeordnet sein. Die Abdeckscheibe 56 schützt die Anordnung von Spiegeln 46 und die Sammellinse 50 auf der z-Achse vor dem umgebenden Umfeld, ermöglicht jedoch, dass der Laserstrahl 24 ohne wesentliche Störung aus dem optischen Laserabtastkopf 42 heraustreten kann.
Die Anordnung von Spiegeln 46 und die Sammellinse 50 auf der z-Achse arbeiten im Betrieb der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 und seines Strahlpunkts 44 innerhalb der Betriebshüllkurve 48 am Schweißort 16 sowie die Position des Brennpunkts 52 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24 vorzugeben. Spezieller enthält die Anordnung von Spiegeln 46 ein paar kippbarer Abtastspiegel 58. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 58 ist an einem Galvanometer 60 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 58 können den Aufenthaltsort des Strahlpunkts 44 an jede Stelle in der x-y-Ebene der Betriebshüllkurve 48 durch präzise koordinierte Kippbewegungen, die von den Galvanometern 60 ausgeführt werden, bewegen - und damit den Punkt verändern, an welchem der Laserstrahl 24 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft. Gleichzeitig steuert die Sammellinse 50 auf der z-Achse den Aufenthaltsort des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24, um dazu beizutragen, den Laserstrahl 24 mit der korrekten Leistungsdichte auszustatten und um die gewünschte Wärmeeingabe sowohl augenblicklich und über die Zeit hinweg zu erreichen. Alle diese optischen Komponenten 50, 58 können innerhalb von Millisekunden oder weniger rapide indiziert werden, um den Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 relativ zu der x-y-Ebene der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entlang eines Strahlbewegungsmusters mit einfacher oder komplexer Geometrie voranzubewegen, während der Aufenthaltsort des Brennpunkts 52 gesteuert wird.
Eine Eigenschaft, die das Laserschweißen aus der Ferne 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 62 auf, die als die Distanz zwischen dem Brennpunkt 52 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 58 gemessen wird, welcher den Laserstrahl 24 unterbricht und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft (auch die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall). Die Brennweite 62 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,4 Meter bis 2,0 Meter, wobei ein Durchmesser des Brennpunkts 52 typischerweise im Bereich von 350 µm bis 700 µm liegt. Der optische Laserabtastkopf 42, der in 1 allgemein gezeigt und vorstehend beschrieben ist, sowie andere, die ein wenig anders aufgebaut sein können, sind aus einer Vielzahl von Quellen kommerziell verfügbar. 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, Connecticut, USA).
In dem vorliegend offenbarten Laserschweißverfahren und nun mit Bezugnahme auf 1 - 15 wird eine Laserschweißverbindung 64 (1 und 10) innerhalb des Werkstückstapels 10 und zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall (oder dem ersten, zweiten und dritten Werkstück aus Metall, wie in 16 - 17 dargestellt ist und nachstehend beschrieben wird) durch momentanes Schmelzen der Werkstücke 12, 14 aus Metall mit dem Laserstrahl 24 und dem anschließenden Ermöglichen, dass die geschmolzenen Werkstückteile erstarren, ausgebildet. Im Speziellen wird der Laserstrahl 24 von dem optischen Laserabtastkopf 42 manövriert, um den Laserstrahl 24 und seinen Strahlpunkt 44 relativ zu der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entlang eines Strahlbewegungsmusters 66 (10 - 15) voranzubewegen, während die Position des Brennpunkts 52 relativ zu der Oberseite 20 des Stapels 10 entlang einer Dimension 68 oszillieren gelassen wird, welche quer zu einer Oberseite 20 orientiert ist (hier auch als „die Querdimension 68“) bezeichnet. Die Brennpunktoszillationen werden für zumindest einen Teil der Zeit ausgeführt und vorzugsweise für die gesamte Zeit, in der der Strahlpunkt 44 entlang des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt wird. Die durch den Betrieb des Laserstrahls 24 erhaltene resultierende Laserschweißverbindung 64 verschweißt die sich überlappenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall am Schweißort 16 autogen miteinander.
Das Laserschweißverfahren wird ausgeführt, indem zuerst der Werkstückstapel 10 bereitgestellt wird. Dies umfasst typischerweise, dass das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall mit sich überlappenden Flanschen oder anderen Verbindungsregionen zusammengebaut oder verbunden werden. Sobald der Werkstückstapel 10 bereitgestellt ist, wird der Laserstrahl 24 auf die Oberseite 20 des Stapels 10 innerhalb des Schweißorts 16 gelenkt und trifft darauf auf, wodurch der Strahlpunkt 44 gebildet wird, an dem Laserenergie in den Stapel 10 eindringt und von diesem anfänglich absorbiert wird. Die aus dem Absorbieren der fokussierten Energie des Laserstrahls 24 erzeugte Wärme leitet das Schmelzen des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Metall ein und erzeugt ein Schmelzbad 70 aus Metallschmelze, wie in 2 - 3 gezeigt ist, welches eine Zusammensetzung beruhend auf und abgeleitet aus den Zusammensetzungen der Werkstücke 12, 14 aus Metall aufweist. Das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze dringt von der Oberseite 20 aus zu der Unterseite 22 hin in den Werkstückstapel 10 ein. Und obwohl die Eindringtiefe in einem bestimmten Ausmaß variieren kann, dringt das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze so tief in den Werkstückstapel 10 ein, dass es die Stoßschnittstelle 34 schneidet, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall gebildet ist.
Darüber hinaus weist der Laserstrahl 24 vorzugsweise eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um den Werkstückstapel 10 direkt unter dem Strahlpunkt 44 zu verdampfen. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 72, wie ebenfalls in 2 - 3 dargestellt ist, welches eine Säule aus verdampftem Werkstückmetall ist, die oftmals Plasma enthält. Das Schlüsselloch 72 wird innerhalb des Schmelzbads 70 aus Metallschmelze ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzbad 70 aus Metallschmelze nach innen kollabiert. Und ähnlich wie das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze dringt auch das Schlüsselloch 72 von der Oberseite 20 aus zu der Unterseite 22 hin in den Werkstückstapel 10 ein und schneidet die Stoßschnittstelle 34, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall gebildet ist. Das Schlüsselloch 72 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 70 aus Metallschmelze in den Werkstückstapel 10 und eine relativ kleine durch Wärme beeinträchtigte umgebende Zone ermöglicht werden. Das Schlüsselloch 72 und das umgebende Schmelzbad 70 aus Metallschmelze können den Werkstückstapel 10 vollständig oder (wie gezeigt) teilweise durchdringen.
Nachdem das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze und das optionale Schlüsselloch 72 erzeugt sind, und nun mit Bezugnahme auf 10, wird der Laserstrahl 24 derart manövriert, dass sein Strahlpunkt 44 relativ zu der x-y-Ebene der Oberseite 20 des Werkstückstapels entlang des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt wird. Das Strahlbewegungsmuster 66 enthält eine oder mehrere Schweißstrecken 74. Das Voranbewegen des Strahlpunkts 44 des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 66 wird durch präzises Steuern der koordinierten Bewegungen der kippbaren Abtastspiegel 58 innerhalb des optischen Laserabtastkopfs 42 gemanagt. Diese koordinierten Bewegungen der Abtastspiegel 58 können den Strahlpunkt 44 rapide bewegen, um einer Vielfalt von Strahlbewegungsmustern mit einfacher oder komplexer Gestalt zu folgen, wie sie auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 projiziert werden. Sobald der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 das Verfolgen des Strahlbewegungsmusters 66 beendet hat, wird das Übertragen des Laserstrahls 24 abgebrochen und folglich wird der Laserstrahl 24 nicht mehr auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 gelenkt. In 10 ist hier ein repräsentatives Strahlbewegungsmuster 66 dargestellt, das eine einzige Schweißstrecke 74 zeigt, die sich zwischen einem ersten Punkt 76 und einem zweiten Punkt 78 erstreckt, welche den Punkten des anfänglichen Auftreffens und des Endes des Auftreffens des Laserstrahls auf die Oberseite 20 des Stapels 10 entsprechen können oder auch nicht.
Die Position des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24 wird bezüglich der Oberseite 20 des Stapels 10 entlang der Querdimension 68 für zumindest einen Teil der Zeit während des Voranbewegens des Strahlpunkts 44 des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 66 oszillieren gelassen. Die Oszillationen des Brennpunkts werden ausgeführt, während der Strahlpunkt 44 zwischen den voneinander beabstandeten ersten und zweiten Punkten 76, 78 der Schweißstrecke(n) 74 voranbewegt wird. Folglich wird in einer Ausführungsform die Position des Brennpunkts 52 entlang jeder der einen oder der mehreren Schweißstrecken 74 über den Verlauf des gesamten Strahlbewegungsmusters 66 oszillieren gelassen. In einer alternativen Ausführungsform jedoch wird die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen, wenn der Strahlpunkt 44 über einen oder mehrere bestimmte vorgesehene Teile des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt wird, während er konstant gehalten wird, wenn der Strahlpunkt 44 entlang des einen oder der mehreren anderen Teile des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt wird. Wenn die Position des Brennpunkts 52 nur für einen Teil der Zeit verändert wird, wie es der Fall in der letzten vorstehend erwähnten Ausführungsform ist, können die Oszillationen über mindestens 40% des Strahlbewegungsmusters 66 hinweg oder besonders bevorzugt mindestens 70% des Strahlbewegungsmusters 66 hinweg stattfinden.
Die Handlung des Oszillierenlassens der Position des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24 führt zu einer Brennpunktdistanz 80 des Laserstrahls 24 - welche die Distanz zwischen dem Brennpunkt 52 an der Oberseite des Werkstückstapels 10 gemessen an der Längsachse 54 des Strahls 24 ist -, die entlang der Querdimension 68 über die Zeit hinweg zyklisch verändert wird. Mit anderen Worten erfährt der Brennpunkt 52 des Laserstrahls eine sich wiederholende Vorwärts- und Rückwärtsbewegung in der Querdimension 68, welche eine Dimension ist, die eine Gesamtverschiebung parallel zu der Längsachse 54 des Laserstrahls 24 repräsentiert, um die Brennpunktdistanz 80 des Laserstrahls 24 wiederholt zu verändern, während der Strahlpunkt 44 entlang der einen oder mehreren Schweißstrecken 74 des Strahlbewegungsmusters 66 zwischen den voneinander beabstandeten ersten und zweiten Punkten 76, 78 voranbewegt wird. Im Speziellen, und wie in 2 - 3 und 9 am besten gezeigt ist, umfasst die Brennpunktoszillation eine Reihe von Brennpunktkomponentendurchläufen 82, in welchen sich der Brennpunkt 52 von einer maximalen Brennpunktposition 84 zu einer minimalen Brennpunktposition 86 oder umgekehrt bewegt und dabei (bei jedem Durchlauf) eine Distanz entlang der Querdimension 68 überstreicht, die in einem Bereich zwischen 10 mm und 300 mm oder enger gefasst zwischen 20 mm und 100 mm liegt. Die maximale Brennpunktposition 84 ist diejenige Position, welche von dem Brennpunkt 52 auf der Längsstrahlachse 54 erreicht wird, welche dem optischen Laserabtastkopf 42 am nächsten ist, und die minimale Brennpunktposition ist eine Position, die von dem Brennpunkt 52 erreicht wird, welche von dem optischen Laserabtastkopf 42 am weitesten entfernt ist.
Da die Position des Brennpunkts 52 relativ zu der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 oszillieren gelassen wird, verwendet die Skala, auf welcher die Brennpunktdistanz 80 zu Zwecken dieser Beschreibung gemessen wird, die Oberseite 20 des Stapels 10 als die Position der Nullreferenz. Diesbezüglich weist die Brennpunktdistanz 80 einen positiven Wert auf, wenn der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 über der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 positioniert ist, und eine Bewegung des Brennpunkts 52 zu der maximalen Brennpunktposition 84 hin wird als eine Bewegung in die positive Richtung 68' der Querdimension 68 betrachtet. Analog weist die Brennpunktdistanz 80 einen negativen Wert auf, wenn der Brennpunkt 52 des Laserstrahls unter der Oberseite 20 positioniert ist, und eine Bewegung des Brennpunkts 52 zu der minimalen Brennpunktposition 86 hin wird als eine Bewegung in die negative Richtung 68" der Querdimension 68 betrachtet. Die Position des Brennpunkts 52 kann auf mehrere Weisen oszillieren gelassen werden, um die Brennpunktdistanz 82 zu beeinflussen. Zum Beispiel kann die maximale Brennpunktposition 84 über der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 angeordnet sein und die minimale Brennpunktposition 84 kann unter der Oberseite 20 angeordnet sein, wie in 2 - 3 gezeigt ist, was bedeutet, dass sich die Brennpunktdistanz 80 bei jedem Brennpunktkomponentendurchlauf 82 von positiv zu negativ oder von negativ zu positiv ändert. Alternativ können sowohl die maximale als auch die minimale Brennpunktposition 84, 86 über der Oberseite 20 oder unter der Oberseite 20 angeordnet sein, was bedeutet, dass die Brennpunktdistanz 80 jeweils über den Verlauf jedes Brennpunktkomponentendurchlaufs 82 hinweg positiv oder negativ bleibt.
Die Orte der maximalen und minimalen Brennpunktpositionen 84, 86 können in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Dicke der Werkstücke 12, 14 sowie von der gewünschten Wärmeeingabe, die dem Schmelzbad 70 aus Metallschmelze und dem optionalen Schlüsselloch 72 zugeordnet sind, variieren. Die maximale Brennpunktposition 84 kann zum Beispiel zwischen +100 mm (d.h. 100 mm über der Oberseite 20) und -90 mm (d.h. 100 mm über der Oberseite 20) oder enger gefasst zwischen +50 mm und -30 mm angeordnet sein, und die minimale Brennpunktposition 86 kann zwischen +90 mm und -100 mm oder enger gefasst zwischen +30 mm und -50 mm angeordnet sein. Die maximale und minimale Brennpunktposition 84, 86 können über die vielen Brennpunktkomponentendurchläufe 82 hinweg konstant sein (wie in 9 dargestellt), und zudem können die zyklischen Variationen der Brennpunktdistanz 80, auf die abgezielt wird, als Funktion der Zeit periodisch oder nicht periodisch sein. In alternativen Ausführungsformen jedoch können die maximalen und minimalen Brennpunktpositionen 84, 86 über die vielen Brennpunktkomponentendurchläufe 80 hinweg verschieden sein, wie zum Beispiel mit gedämpften oder anwachsenden Brennpunktoszillationen. Die Frequenz, mit welcher der Brennpunkt 52 oszillieren gelassen wird, kann in vielen Fällen in den Bereich von 10 Hz bis 6000 Hz fallen, oder enger gefasst in den Bereich von 20 Hz bis 2000 Hz, unabhängig davon, wie die Oszillation ausgeführt wird (z.B. periodisch, nicht periodisch, gedämpft, anwachsend, usw.). Die Frequenz der Brennpunktoszillationen ist ein Maß dafür, wie viele Brennpunktkomponentendurchläufe 82 pro Sekunde ausgeführt werden.
Die Position des Brennpunkts 52 kann auf lineare oder wellenförmige Weise oszillieren gelassen werden. Die Brennpunktoszillation ist linear, wenn der Brennpunkt 52 bei jedem der Brennpunktkomponentendurchläufe 82 zwischen seinen maximalen und minimalen Brennpunktpositionen 84, 86 auf einer linearen Trajektorie 821 entlang der Querdimension 68 bewegt wird, wie in 7 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu ist die Brennpunktoszillation wellenförmig, wie in 8 gezeigt ist, wenn bei jedem der Brennpunktkomponentendurchläufe 82 der Brennpunkt 52 zwischen seinen maximalen und minimalen Brennpunktpositionen 84, 86 auf einer wellenförmigen Trajektorie 822 entlang der Querdimension 68 bewegt wird, was eine kontinuierliche Vorwärtsprogression des Brennpunkts 86 zu der maximalen oder minimalen Brennpunktposition 84, 86 hin in einer mittleren Vorwärtsrichtung 88 umfasst, während wiederholte Vorwärts- und Rückwärts-Schwankungen des Brennpunkts 52 auftreten, die seitlich von der mittleren Vorwärtsrichtung 88 abweichen. Diese Schwankungen können Amplituden von Spitze zu Spitze im Bereich von 0,2 mm bis 2,0 mm und Wellenlängen in dem Bereich von 50 µm bis 2000 µm aufweisen. Die Position des Brennpunkts 52 kann selbstverständlich abgesehen von linear und wellenförmig auf andere Weisen oszillieren gelassen werden, welche beispielsweise eine Kombination aus linear und wellenförmig umfassen, bei welcher einige der Brennpunktkomponentendurchläufe 82 einer linearen Trajektorie folgen und andere der Brennpunktkomponentendurchläufe einer wellenförmigen Trajektorie folgen.
Die Positionsoszillation des Brennpunkts 52 wird vorzugsweise zwischen den voneinander beabstandeten ersten und zweiten Punkten 76, 78 der einen oder mehreren Schweißstrecken 74 des Strahlbewegungsmusters 66 ausgeführt, während das Leistungsniveau und die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls konstant gehalten werden. Das Beibehalten eines konstanten Leistungsniveaus und einer konstanten Verfahrgeschwindigkeit trägt zum Erzeugen und Beibehalten eines kohärenten Schmelzbads 70 aus Metallschmelze und eines stabilen Schlüssellochs 72, falls vorhanden, bei und es trägt auch zum Managen der Wärmeeingabe in den Werkstückstapel 10 während der Zeit bei, in der die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen wird. Im Allgemeinen steigt die Wärmeeingabe des Laserstrahls 24 mit einem zunehmenden Leistungsniveau und/oder einer abnehmenden Verfahrgeschwindigkeit an und analog nimmt die Wärmeeingabe mit abnehmendem Leistungsniveau und/oder einer zunehmenden Verfahrgeschwindigkeit ab. Hier wird, zumindest während die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen wird, das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 vorzugsweise auf einem konstanten Niveau in dem Bereich von 0,5 Kilowatt (kW) bis 10 kW oder enger gefasst in dem Bereich von 1 kW bis 6 kW gehalten, und die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 (und damit des Strahlpunkts) entlang der einen oder mehreren Schweißstrecken 74 wird vorzugsweise auf einer konstanten Geschwindigkeit in dem Bereich von 0,8 Meter/Minute (m/min) bis 100 m/min oder enger gefasst in dem Bereich von 1 m/min bis 50 m/min gehalten.
Eine besonders bevorzugte Weise zum Oszillierenlassen der Position des Brennpunkts 52 während des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang der einen oder mehreren Schweißstrecken 74 des Strahlbewegungsmusters 66 in Übereinstimmung mit dem offenbarten Laserschweißverfahren ist in 9 graphisch dargestellt. Dort wird die Position des Brennpunkts 52 wie gezeigt periodisch als Funktion der Zeit oszillieren gelassen, wobei sowohl die maximale Brennpunktposition 84 als auch die minimale Brennpunktposition 86 der vielen Brennpunktkomponentendurchläufe 82 konstant bleiben. Zudem sind die Übergänge zwischen jedem Paar aufeinanderfolgender Brennpunktkomponentendurchläufe 82 abrupt, was bedeutet, dass der Brennpunkt 52 nicht eine längere Zeitperiode lang an entweder der maximalen oder der minimalen Brennpunktposition 84, 86 gehalten wird, so dass das Ende eines Brennpunktkomponentendurchlaufs 82 im Wesentlichen der Start des nächsten Brennpunktkomponentendurchlaufs 82 ist. Jeder der Brennpunktkomponentendurchläufe 82, die hier in 9 graphisch repräsentiert sind, wird darüber hinaus durch eine Bewegung des Brennpunkts 52 auf entweder einer linearen oder einer wellenförmigen Trajektorie wie vorstehend beschrieben bewirkt und die gezeigte Oszillation des Brennpunkts 52 wird ausgeführt, während der Laserstrahl 24 auf einem konstanten Leistungsniveau und bei einer konstanten Verfahrgeschwindigkeit gehalten wird.
Das Strahlbewegungsmuster 66, dem der Laserstrahl 24 folgt, kann ein beliebiges einer großen Vielfalt von geometrischen Mustern sein. Hier sind mehrere beispielhafte Strahlbewegungsmuster 66 in 11 - 15 aus der Perspektive einer zweidimensionalen Draufsicht auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 gezeigt. Das Strahlbewegungsmuster 66 kann zum Beispiel ein lineares Stichmuster 661 (11), ein gekrümmtes oder „C-förmiges“ Klammermuster 662 (12), ein Kreismuster 663 (13), ein elliptisches Muster 664 (14) oder ein Spiralmuster 665 (15) sein, um nur ein paar Beispiele zu erwähnen. In dem linearen Stichmuster 661 von 11 wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang einer einzigen linearen Schweißstrecke 741 von einem Startpunkt 90 zu einem Endpunkt 92 voranbewegt. Der Startpunkt 90 und der Endpunkt 92 können jeweils dem ersten Punkt 76 und dem zweiten Punkt 78 entsprechen, zwischen welchen die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen wird, obwohl die Korrelation dieser zwei Sätze von Punkten nicht unbedingt erforderlich ist. In dem Klammermuster 662 von 12 wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 auf analoge Weise entlang einer gekrümmten und in Umfangsrichtung offenen Schweißstrecke 742 von einem Startpunkt 94 zu einem Endpunkt 96 voranbewegt. Die gekrümmte und in Umfangsrichtung offene Schweißstrecke 742 kann eine halbkreisförmige oder halbelliptische Strecke sein. Und wie zuvor können der Startpunkt 94 und der Endpunkt 96 jeweils dem ersten Punkt 76 und dem zweiten Punkt 78, zwischen welchen die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen wird, entsprechen oder auch nicht.
In dem Kreismuster 663 von 13 wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang einer oder mehrerer kreisförmiger Schweißstrecken 743 von einem Startpunkt 98 zu einem Endpunkt 100 voranbewegt (nur auf einer der dargestellten kreisförmigen Schweißstrecken 743 gezeigt). Der Startpunkt 98 und der Endpunkt 100 der kreisförmigen Schweißstrecken 743 können gleich sein oder alternativ können sie verschieden sein, etwa wenn der Strahlpunkt 44 an dem Startpunkt 98 der gleichen Schweißstrecke 743 vorbei voranbewegt wird. Wenn das Kreismuster 663 darüber hinaus eine Reihe von in radialer Richtung beabstandeten und nicht miteinander verbundenen kreisförmigen Schweißstrecken 743 enthält, die um einen gemeinsamen Mittelpunkt herum konzentrisch angeordnet sind, wie in 13 gezeigt ist, kann die Anzahl der kreisförmigen Schweißstrecken 743 in einem Bereich von 2 bis 20 liegen. In dieser Hinsicht enthält die Reihe von kreisförmigen Schweißstrecken 743 eine innerste kreisförmige Schweißstrecke 743' und eine äußerste kreisförmige Schweißstrecke 743", und alle Schweißstrecken 743 dazwischen können gleichmäßig voneinander beabstandet sein oder sie können mit veränderlichen Distanzen voneinander beabstandet sein. Unabhängig von der Einheitlichkeit der Beabstandung oder deren Fehlen liegt die Distanz zwischen radial ausgerichteten Punkten auf jedem Paar benachbarter kreisförmiger Schweißstrecken 743 (oder die Schrittweite) vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,8 mm. Darüber hinaus können wie zuvor der Startpunkt 98 und der Endpunkt 100 von jeder der kreisförmigen Schweißstrecken 743 den voneinander beabstandeten ersten und zweiten Punkten 76, 78, zwischen welchen die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen wird, entsprechen oder auch nicht.
Das in 14 gezeigte elliptische Muster 664 ist in allen materiellen Aspekten ähnlich wie das in 13 gezeigte kreisförmige Muster 663 mit Ausnahme der Tatsache, dass der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang einer oder mehrerer elliptischer Schweißstrecken 744 von einem Startpunkt 102 zu einem Endpunkt 104 anstelle der einen oder mehreren kreisförmigen Schweißstrecken 743 voranbewegt wird. Wenn daher das elliptische Muster 644 eine Reihe von radial beabstandeten und nicht miteinander verbundenen elliptischen Schweißstrecken 744 enthält, die wie gezeigt konzentrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt herum angeordnet sind, kann die Anzahl der elliptischen Schweißstrecken 744 in einem Bereich von 2 bis 20 liegen. Die elliptischen Schweißstrecken 744 können außerdem zwischen einer innersten elliptischen Schweißstrecke 744' und einer äußersten kreisförmigen Schweißstrecke 744" in der gleichen Weise wie die kreisförmigen Schweißstrecken 743 von 13 beabstandet sein; das heißt, dass eine Distanz zwischen radial ausgerichteten Punkten auf jedem Paar benachbarter elliptischer Schweißstrecken 744 (oder die Schrittweite) vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,8 mm liegt. Außerdem können wie zuvor der Startpunkt 102 und der Endpunkt 104 von jeder der elliptischen Schweißstrecken 744 den voneinander beabstandeten ersten und zweiten Punkten 76, 78, zwischen welchen die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen wird, entsprechen oder auch nicht.
In dem Spiralmuster 665 von 15 wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 von einem Startpunkt 106 aus zu einem Endpunkt 108 entlang einer einzigen spiralförmigen Schweißstrecke 745 voranbewegt, die sich um einen innersten Punkt 110 herum dreht, um mehrere Windungen 112 zu erzeugen, die sich zwischen dem innersten Punkt 110 und einem äußersten Punkt 114 radial nach außen ausdehnen. Es können zwischen zwei und zwanzig Windungen 112 vorhanden sein. Der Startpunkt 106 der spiralförmigen Schweißstrecke 745 kann der innerste Punkt 110 einer innersten Windung 112' der Schweißstrecke 745 sein, und der Endpunkt 108 kann der äußerste Punkt 110 einer äußersten Windung 112" der Schweißstrecke 745 sein oder umgekehrt. Die spiralförmige Schweißstrecke 745 kann kontinuierlich gekrümmt sein, wie hier in 15 gezeigt, und kann ferner wie eine archimedische Spirale angeordnet sein, bei welcher die Windungen 112 der Schweißstrecke 745 durch eine Schrittdistanz äquidistant voneinander beabstandet sind, die vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 mm bis 0,8 mm liegt, gemessen zwischen radial ausgerichteten Punkten auf jedem Paar benachbarter Windungen 112. Zudem können wie zuvor der Startpunkt 106 und der Endpunkt 108 der spiralförmigen Schweißstrecke 745 jeweils dem ersten Punkt 76 und dem zweiten Punkt 78 entsprechen, zwischen welchen die Position des Brennpunkts 52 oszillieren gelassen wird, obwohl die Korrelation dieser zwei Sätze von Punkten nicht unbedingt notwendig ist.
Wieder mit Bezug auf 2 - 3 und 10 werden, wenn der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 44 entlang des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt wird, das Schlüsselloch 72 (falls vorhanden) und das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze, welches das optionale Schlüsselloch 72 umgibt, entlang einer entsprechenden Route innerhalb des Stapels 10 und relativ zu der Oberseite 20 verschoben, da sie der Bewegung des Strahlpunkts 44 folgen. Dieses Voranbewegen des Strahlpunkts 44 bewirkt, dass das eindringende Schmelzbad 70 aus Metallschmelze innerhalb des Werkstückstapels 10 um den Strahlpunkt 44 herum und dahinter fließt, was dazu führt, dass sich das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze im Kielwasser der voranschreitenden Progression des Strahlpunkts 44 verlängert. Beim fortgesetzten Voranbewegen und/oder beim Anhalten der Übertragung des Laserstrahls 24 kühlt das geschmolzene Werkstückmaterial, das von dem Laserstrahl 24 und durch das Voranbewegen des Strahlpunkts 44 erzeugt wird, ab und erstarrt zu wiedererstarrtem Verbundwerkstückmaterial 116. In der Tat und in Abhängigkeit davon, wie der Laserstrahl 24 exakt manövriert wird, kann das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze zu einer definierten Spur aus wiedererstarrtem Verbundwerkstückmaterial 116 erstarren oder es kann sich vermischen und zu einer größeren Schweißpfütze anwachsen, die zu einer konsolidierten Linse aus wiedererstarrtem Verbundwerkstückmaterial 116 erstarrt. Unabhängig von seiner endgültigen Gestalt und Struktur bildet das gesamte wiedererstarrte Metall-Verbundwerkstückmaterial 116 die Laserschweißverbindung 64, welche die Werkstücke 12, 14 aus Metall am Schweißort 16 autogen miteinander fusionsverschweißt.
Die Eindringtiefe des Schlüssellochs 72 und des umgebenden Schmelzbads 70 aus Metallschmelze wird während des Voranbewegens des Strahlpunkts 44 des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 66 gesteuert, um sicherzustellen, dass die Werkstücke 12, 14 aus Metall miteinander durch die Laserschweißverbindung 64 verschweißt sind. Im Speziellen dringen wie vorstehend erwähnt das Schlüsselloch 72 und das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze in den Werkstückstapel 10 ein und schneiden die Stoßschnittstelle 34, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall gebildet ist. Das Schlüsselloch 72 und das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze können den Werkstückstapel 10 vollständig oder teilweise durchdringen. Zum Beispiel durchdringen in einer Ausführungsform, wie in 2 - 3 dargestellt ist, das Schlüsselloch 72 und das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze den Werkstückstapel 10 vollständig, wenn das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Stahl sind, aber sie durchdringen den Werkstückstapel 10 nur teilweise, wenn das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium sind. Ein vollständig durchdringendes Schlüsselloch 72 und ein vollständig durchdringendes Schmelzbad 70 aus Metallschmelze erstrecken sich vollständig durch das erste und zweite Werkstück aus Metall von der Oberseite 20 aus zu der Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 hin. Andererseits erstrecken sich ein teilweise eindringendes Schlüsselloch 72 und ein teilweise eindringendes Schmelzbad 70 aus Metallschmelze vollständig durch das erste Werkstück 12 aus Metall hindurch, aber nur teilweise durch das zweite Werkstück 14 aus Metall, wie in 5 - 6 veranschaulicht ist.
1 - 15 veranschaulichen die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des offenbarten Laserschweißverfahrens im Kontext des Werkstückstapels 10, der ein „2T“-Stapel ist, der nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall mit deren einziger Stoßschnittstelle 34 enthält. Das gleiche Laserschweißverfahren kann jedoch auch ausgeführt werden, wenn der Werkstückstapel, der durch Bezugszeichen 10' bezeichnet ist, ein „3T“-Stapel ist, der ein zusätzliches drittes Werkstück 150 aus Metall mit einer Dicke 151 enthält, das sich mit den ersten und zweiten Werkstücken 12, 14 aus Metall überlappt und dazwischen liegt, wie in 16 - 17 dargestellt ist. Tatsächlich muss das Laserschweißverfahren unabhängig davon, ob der Werkstückstapel 10 ein 2T- oder ein 3T-Stapel ist, nicht sehr viel verändert werden, um die Laserschweißverbindung 64 auszubilden. Und in jedem Fall kann die Laserschweißverbindung 64 Festigkeitseigenschaften mit guter Qualität erzielen, indem die Position des Brennpunkts 52 zwischen den ersten und zweiten beabstandeten Punkten 74, 76 oszillieren gelassen wird, während der Strahlpunkt 44 relativ zu der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entlang des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt wird, trotz der Tatsache, dass mindestens eines und möglicherweise alle Werkstücke 12, 150, 14 aus Metall eine Oberflächenbeschichtung 40 enthalten.
Das zusätzliche dritte Werkstück 150 aus Metall enthält ein drittes Basismetallsubstrat 152, das optional mit der gleichen Oberflächenbeschichtung 40, die vorstehend beschrieben ist, beschichtet sein kann. Wenn der Werkstückstapel 10' das erste, zweite und dritte sich überlappende Werkstück 12, 150, 14 aus Metall enthält, können die Basismetallsubstrate 36, 152, 38 von mindestens einem der Werkstücke 12, 150, 14 und manchmal von allen die Oberflächenbeschichtung 40 enthalten; das heißt, dass eines der folgenden Szenarien zutrifft: (1) nur das erste Werkstück 12 aus Metall enthält eine Oberflächenbeschichtung 40; (2) nur das dritte Werkstück 150 aus Metall enthält eine Oberflächenbeschichtung 40; (3) nur das zweite Werkstück 14 aus Metall enthält eine Oberflächenbeschichtung 40; (4) sowohl das erste als auch das dritte Werkstück 12, 150 aus Metall enthalten eine Oberflächenbeschichtung 40; (5) sowohl das erste als auch das zweite Werkstück 12, 14 aus Metall enthalten eine Oberflächenbeschichtung 40; oder (6) sowohl das dritte als auch das zweite Werkstück 150, 14 aus Metall enthalten eine Oberflächenbeschichtung 40. Hinsichtlich der Eigenschaften des dritten Basismetallsubstrats 152 sind die vorstehenden Beschreibungen im Hinblick auf das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 der gleichen Basismetallgruppe (d.h. Stahl, Aluminium oder Magnesium) gleichermaßen ebenfalls auf dieses Substrat 152 anwendbar. Und obwohl die gleichen allgemeinen Beschreibungen auf die mehreren Werkstücke 12, 150, 14 aus Metall zutreffen, besteht keine Notwendigkeit, dass die Werkstücke 12, 150, 14 aus Metall zueinander identisch sind. In vielen Fällen unterscheiden sich das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 150, 14 aus Metall in einigen Aspekten voneinander, etwa der Zusammensetzung, der Dicke und/oder der Form.
Als Folge des Stapelns des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 150, 14 aus Metall auf überlappende Weise, um den Werkstückstapel 10' bereitzustellen, weist das dritte Werkstück 150 aus Metall zwei Stoßflächen auf: eine dritte Stoßfläche 154 und eine vierte Stoßfläche 156. Die dritte Stoßfläche 154 überlappt sich mit der ersten Stoßfläche 28 des ersten Werkstücks 12 aus Metall und liegt dieser gegenüber, und die vierte Stoßfläche 156 überlappt sich mit der zweiten Stoßfläche 32 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall und liegt dieser gegenüber. Die einander gegenüberliegenden ersten und dritten Stoßflächen 28, 154 des ersten und dritten Werkstücks 12, 150 aus Metall bilden eine erste Stoßschnittstelle 158, und die sich gegenüberliegenden zweiten und vierten Stoßflächen 32, 156 des zweiten und dritten Werkstücks 150, 14 aus Metall bilden eine zweite Stoßschnittstelle 160, die sich beide durch den Schweißort 16 hindurch erstrecken. Diese Stoßschnittstellen 158, 160 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die bereits vorstehend mit Bezug auf 1 - 15 beschrieben ist. Folglich weisen in dieser Ausführungsform wie hier beschrieben die Außenflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall immer noch voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und stellen weiterhin die Ober- bzw. Unterseite 20, 22 des Werkstückstapels 10' bereit.
Die Laserschweißverbindung 64 wird in dem „3T“-Werkstückstapel 10' durch den Laserstrahl 24 auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Im Speziellen wird der Laserstrahl 24 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 (auch die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall) gelenkt und trifft darauf auf, um das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze und optional das Schlüsselloch 72 innerhalb des Schmelzbads 70 unter dem Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 zu erzeugen. Das Schlüsselloch 72 und das Schmelzbad 70 aus Metallschmelze durchdringen den Werkstückstapel 10 von der Oberseite 20 aus zu der Unterseite 22 hin entweder vollständig oder teilweise ein und schneiden jede der Stoßschnittstellen 158, 160, die in dem Stapel 10 gebildet ist. Der Strahlpunkt 44 wird dann relativ zu der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10' entlang des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt. Alle beispielhaften Strahlbewegungsmuster 66, die in 11 - 15 dargestellt sind, sowie andere nicht dargestellte können von dem Strahlpunkt 44 nachgeführt werden. Darüber hinaus wird die Position des Brennpunkts 52 zwischen den ersten und zweiten voneinander beabstandeten Punkten 76, 78 der einen oder mehreren Schweißstrecken 74 des Strahlbewegungsmusters 66 wie vorstehend beschrieben oszillieren gelassen, während der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang des Strahlbewegungsmusters 66 voranbewegt wird. Die resultierende Schweißverbindung 64, die durch den Laserstrahl 24 ausgebildet wird, enthält wiedererstarrtes Verbundwerkstücksmaterial 116 und verschweißt das erste, zweite und dritte Werkstück 12, 150, 14 aus Metall am Schweißort 16 miteinander.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und spezifischen Beispielen ist lediglich beschreibend; sie soll den Umfang der Ansprüche, die folgen, nicht beschränken. Alle in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe soll deren gewöhnliche und allgemeine Bedeutung verliehen werden, sofern es nicht spezifisch und eindeutig in der Beschreibung anders ausgesagt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0007, 0028]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfasst, das erste Werkstück aus Metall eine Oberseite des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine Unterseite des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel gebildet wird, und wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium sind; ein Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels gelenkt wird, wobei der Laserstrahl auf die Oberseite auftrifft und ein Schmelzbad aus Metallschmelze erzeugt, das in den Werkstückstapel von der Oberseite aus zu der Unterseite hin eindringt und das jede Stoßschnittstelle, die in dem Werkstückstapel gebildet ist, schneidet, wobei der Laserstrahl einen Strahlpunkt aufweist, der entlang der Oberseite des Werkstückstapels orientiert ist, und eine Laserschweißverbindung ausgebildet wird, die die sich überlappenden Werkstücke aus Metall miteinander verschweißt, indem der Strahlpunkt relativ zu einer Ebene der Oberseite des Werkstückstapels und entlang eines Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird und zusätzlich eine Position eines Brennpunkts des Laserstrahls entlang einer Dimension oszillieren gelassen wird, die quer zu der Oberseite orientiert ist, für zumindest einen Teil der Zeit, während der Laserstrahl relativ zu einer Ebene der Oberseite entlang des Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird, und ein konstantes Leistungsniveau und eine konstante Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Metall die Oberseite des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Metall die Unterseite des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei sich die erste und zweite Stoßfläche des ersten und zweiten Werkstücks aus Metall überlappen und einander gegenüberliegen, um eine erste Stoßschnittstelle zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Metall die Oberseite des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Metall die Unterseite des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Werkstück aus Metall umfasst, das sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall befindet, wobei das dritte Werkstück aus Metall einander entgegengesetzte dritte und vierte Stoßflächen aufweist, wobei sich die dritte Stoßfläche mit der ersten Stoßfläche des ersten Werkstücks aus Metall überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle zu bilden, und sich die vierte Stoßfläche mit der zweiten Stoßfläche des zweiten Werkstücks aus Metall überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oszillierenlassen der Position des Brennpunkts umfasst, dass der Brennpunkt des Laserstrahls abwechselnd entlang einer Reihe von Brennpunktkomponentendurchläufen bewegt wird, um eine Brennpunktdistanz des Laserstrahls über die Zeit entlang der Dimension, die quer zu der Oberseite orientiert ist, zyklisch zu verändern, während der Strahlpunkt entlang des Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird, wobei jeder der Brennpunktkomponentendurchläufe eine maximale Brennpunktposition und eine minimale Brennpunktposition aufweist, zwischen denen der Brennpunkt bewegt wird, und wobei der Brennpunkt abwechselnd entlang der Reihe von Brennpunktkomponentendurchläufen mit einer Frequenz im Bereich von 10 Hz bis 6000 Hz bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die maximalen Brennpunktpositionen und die minimalen Brennpunktpositionen über den Verlauf der Reihe von Brennpunktkomponentendurchläufen hinweg konstant bleiben.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Position des Brennpunkts derart oszillieren gelassen wird, dass die Brennpunktdistanz des Laserstrahls periodisch als Funktion der Zeit zyklisch verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei für jeden Brennpunktkomponentendurchlauf der Brennpunkt einer linearen Trajektorie entlang der Dimension folgt, die quer zu der Oberseite orientiert ist, wenn er von der maximalen Brennpunktposition zu der minimalen Brennpunktposition oder von der minimalen Brennpunktposition zu der maximalen Brennpunktposition bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Brennpunkt bei jedem Brennpunktkomponentendurchlauf einer wellenförmigen Trajektorie entlang der Dimension folgt, die quer zu der Oberseite orientiert ist, wenn er von der maximalen Brennpunktposition zu der minimalen Brennpunktposition oder von der minimalen Brennpunktposition zu der maximalen Brennpunktposition bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die maximale Brennpunktposition bei jedem der Komponentendurchläufe relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels zwischen +100 mm und -90 mm liegt und die minimale Brennpunktposition von jedem der Komponentendurchläufe zwischen +90 mm und -100 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Schlüsselloch unter dem Strahlpunkt und innerhalb des Schmelzbades aus Metallschmelze erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Stahl sind, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Stahl eine Oberflächenbeschichtung enthält, die aus einem Material auf Zinkbasis oder einem Material auf Aluminiumbasis besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens eines der Werkstücke aus Stahl eine Oberflächenbeschichtung enthält, die aus Zink besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Aluminium sind, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Aluminium eine native hitzebeständige Oxidoberflächenbeschichtung enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Magnesium sind, und wobei mindestens eines der Werkstücke aus Magnesium eine native hitzebeständige Oxidoberflächenbeschichtung enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Voranbewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang des Strahlbewegungsmusters und das zusätzliche Oszillierenlassen der Position des Brennpunkts des Laserstrahls durch einen optischen Laserabtastkopf ausgeführt werden, der kippbare Abtastspiegel aufweist, deren Bewegungen koordiniert werden, um den Laserstrahl zu manövrieren und damit den Strahlpunkt relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels und entlang des Strahlbewegungsmusters voranzubewegen.
Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der zwei oder drei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfasst, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Oberseite des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine Unterseite des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter, sich überlappender Werkstücke aus Metall innerhalb des Werkstückstapels gebildet wird, und wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium sind; ein optischer Laserabtastkopf betrieben wird, um einen Festkörperlaserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels zu lenken, wobei der Laserstrahl einen Strahlpunkt auf der Oberseite des Werkstückstapels aufweist und ein Schmelzbad aus Metallschmelze und ein Schlüsselloch, das von dem Schmelzbad aus Metallschmelze umgeben ist, erzeugt, wobei sowohl das Schmelzbad aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch in den Werkstückstapel von der Oberseite aus zu der Unterseite hin eindringen; und der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels und entlang eines Strahlbewegungsmusters durch eine koordinierte Bewegung von kippbaren Abtastspiegeln, die in dem optischen Laserabtastkopf enthalten sind, voranbewegt wird, wobei dieses Voranbewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls das Schlüsselloch und das umgebende Schmelzbad aus Metallschmelze entlang einer entsprechenden Route verschiebt, um eine Laserschweißverbindung auszubilden, die aus wiedererstarrtem Verbundmaterial der Werkstücke aus Metall besteht, das von jedem der Werkstücke aus Metall stammt, in das das Schmelzbad aus Metallschmelze eingedrungen ist; und ein Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer Dimension, die quer zu der Oberseite orientiert ist, zumindest für einen Teil der Zeit, während der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu einer Ebene der Oberseite entlang eines Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird, oszillieren gelassen wird, wobei das Oszillierenlassen des Brennpunkts ein abwechselndes Bewegen des Brennpunkts entlang einer Reihe von Brennpunktkomponentendurchläufen umfasst, von denen jeder eine maximale Brennpunktposition und eine minimale Brennpunktposition aufweist, um eine Brennpunktdistanz des Laserstrahls über die Zeit hinweg zyklisch zu verändern, wobei die maximalen Brennpunktpositionen und die minimalen Brennpunktpositionen der Reihe von Brennpunktkomponentendurchläufen konstant bleiben und die Brennpunktdistanz periodisch als Funktion der Zeit zyklisch verändert wird, und wobei für jeden Brennpunktkomponentendurchlauf der Brennpunkt entweder einer linearen Trajektorie oder einer wellenförmigen Trajektorie folgt, wenn er von der maximalen Brennpunktposition zu der minimalen Brennpunktposition oder von der minimalen Brennpunktposition zu der maximalen Brennpunktposition bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Position des Brennpunkts über das gesamte Strahlbewegungsmuster hinweg oszillieren gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Strahlbewegungsmuster, entlang dem der Strahlpunkt des Laserstrahls innerhalb der Ebene der Oberseite des Werkstückstapels voranbewegt wird, umfasst: (a) eine lineare Schweißstrecke, die sich von einem Startpunkt zu einem Endpunkt erstreckt; (b) eine gekrümmte und in Umfangsrichtung offene Schweißstrecke, die sich von einem Startpunkt zu einem Endpunkt erstreckt; (c) eine oder mehrere kreisförmige Schweißstrecken, die sich von einem Startpunkt zu einem Endpunkt erstrecken; (d) eine oder mehrere elliptische Schweißstrecken, die sich von einem Startpunkt zu einem Endpunkt erstrecken; oder (e) eine spiralförmige Schweißstrecke, die sich um einen innersten Punkt herum dreht, um mehrere Windungen zu erzeugen, die sich radial nach außen hin von dem innersten Punkt auf einer innersten Windung zu einem äußersten Punkt auf einer äußersten Windung ausdehnen.
Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei der Werkstückstapel mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfasst, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Oberseite des Werkstückstapels bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine Unterseite des Werkstückstapels bereitstellt, wobei eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter sich überlappender Werkstücke aus Metall in dem Werk-stückstapel gebildet wird, und wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium sind; ein Strahlpunkt eines Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels und entlang eines Strahlbewegungsmusters unter Verwendung einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne voranbewegt wird, wobei dieses Voranbewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls ein Schmelzbad aus Metallschmelze, welches in den Werkstückstapel eindringt und jede Stoßschnittstelle schneidet, die in dem Stapel gebildet ist, entlang einer entsprechenden Route verschiebt, um wiedererstarrtes Verbundmaterial von Werkstücken aus Metall zu bilden, das von jedem der Werkstücke aus Metall stammt, in die das Schmelzbad aus Metallschmelze eingedrungen ist; und ein Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer Dimension oszillieren gelassen wird, die quer zu der Oberseite des Werkstückstapels orientiert ist, während der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu einer Ebene der Oberseite zwischen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Punkten einer Schweißstrecke des Strahlbewegungsmusters voranbewegt wird, wobei das Oszillierenlassen des Brennpunkts umfasst, dass der Brennpunkt entlang einer Reihe von Brennpunktkomponentendurchläufen, die jeweils eine maximale Brennpunktposition und eine minimale Brennpunktposition aufweisen, abwechselnd bewegt wird, um eine Brennpunktdistanz des Laserstrahls über die Zeit hinweg zyklisch zu verändern und wobei der Brennpunkt bei jedem Brennpunktkomponentendurchlauf entweder einer linearen Trajektorie oder einer wellenförmigen Trajektorie folgt, wenn er von der maximalen Brennpunktposition zu der minimalen Brennpunktposition oder von der minimalen Brennpunktposition zu der maximalen Brennpunktposition bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei ein konstantes Leistungsniveau und eine konstante Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls beibehalten werden, während die Position des Brennpunkts oszillieren gelassen wird, wenn der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang der Schweißstrecke zwischen den ersten und zweiten voneinander beabstandeten Punkten voranbewegt wird, und wobei das konstante Leistungsniveau in dem Bereich von 0,5 kW bis 10 kW liegt und die konstante Verfahrgeschwindigkeit in dem Bereich von 0,8 m/min bis 100 m/min liegt.