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TECHNISCHES GEBIET
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Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Zusammenfügen von metallischen Werkstücken und insbesondere ein Verfahren zum Glätten der oberen Fläche einer Laserschweißfügestelle unter Verwendung eines Laserstrahls zum Schmelzen eines oberen Teils der Laserschweißfügestelle, der die obere Fläche aufweist.
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HINTERGRUND
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Das Laserschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei dem ein Laserstrahl auf eine Anordnung von gestapelten Metallwerkstücken gerichtet wird, um eine konzentrierte Wärmequelle bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Schweißfügestelle zwischen den einzelnen Metallwerkstücken herzustellen. Im Allgemeinen werden komplementäre Flansche oder andere Verbindungsbereiche von zwei oder mehr metallischen Werkstücken zunächst so relativ zueinander ausgerichtet, montiert und gestapelt, dass sich ihre Stoßflächen überlappen und gegenüberstehen, um eine oder mehrere Stoßschnittstellen zu bilden. Ein Laserstrahl wird dann auf eine zugängliche obere Fläche des Werkstückstapels innerhalb eines Schweißbereichs gerichtet, der durch den überlappenden Abschnitt der Werkstücke überspannt wird. Die durch die Energieaufnahme aus dem Laserstrahl erzeugte Wärme leitet das Schmelzen der metallischen Werkstücke ein und bildet ein Schmelzmetallschweißbad innerhalb des Werkstückstapels. Das Schmelzmetallschweißbad dringt in den Stapel ein und schneidet mindestens eine und in der Regel alle der hergestellten Stoßschnittstellen. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug ist, wird unter einem Strahlpunkt des Laserstrahls innerhalb des Schmelzmetallschweißbades ein Schlüsselloch erzeugt. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, die Plasma aufweisen kann, das von den metallischen Werkstücken stammt. Das Schlüsselloch ist ein effektiver Absorber der Energie des Laserstrahls und ermöglicht so ein tiefes und schmales Eindringen von geschmolzenem Werkstückmetall in den Stapel.
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Das Schmelzmetallschweißbad und, falls vorhanden, das Schlüsselloch werden in sehr kurzer Zeit erzeugt, sobald der Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels trifft. Nachdem die metallischen Werkstücke zunächst geschmolzen sind, kann der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels vorgeschoben werden, was üblicherweise damit verbunden ist, den Laserstrahl entlang eines Strahlwegmusters mit einem relativ einfachen oder komplexen geometrischen Profil zu bewegen, wie es auf die obere Fläche des Stapels projiziert wird. Während der Laserstrahl entlang der oberen Fläche des Stapels vorgeschoben wird, fließt geschmolzenes Werkstückmetall von dem Schmelzmetallschweißbad um und hinter den vorrückenden Strahlpunkt innerhalb des Werkstückstapels. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmetall kühlt und erstarrt im Zuge des fortschreitenden Laserstrahls schnell zu einem wieder erstarrten metallischen Werkstückmaterial. Die Übertragung des Laserstrahls an der oberen Fläche des Werkstückstapels wird schließlich eingestellt, sobald der Laserstrahl das Nachfahren des Strahlwanderungsmusters beendet hat, wobei zu diesem Zeitpunkt das Schlüsselloch, falls vorhanden, zusammenbricht und das noch im Stapel befindliche geschmolzene Werkstückmetall erstarrt. Das durch den Betrieb des Laserstrahls erhaltene gemeinsame wiederverfestigte VerbundWerkstückmaterial bildet eine Laserschweißfügestelle, die die überlappenden metallischen Werkstücke miteinander autogen verschweißt.
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Viele Industrien verwenden Laserschweißen als Teil ihrer Fertigungspraxis, darunter die Automobil-, Luftfahrt-, Schiffs-, Eisenbahn- und Bauindustrie. Laserschweißen ist ein attraktives Fügeverfahren, da es nur einen einseitigen Zugang erfordert, mit reduzierten Flanschbreiten praktiziert werden kann und innerhalb der Stapelbaugruppe zu einer relativ kleinen Wärmeeinflusszone führt, die den Wärmeverzug der metallischen Werkstücke minimiert. So können beispielsweise in der Automobilindustrie bei der Herstellung der Rohkarosserie (BIW) mit dem Laserschweißen metallische Werkstücke sowie fertige Anbauteile, die vor dem Lackieren auf dem BIW montiert werden, miteinander gefügt werden. Zu den spezifischen Anwendungsfällen des Laserschweißens gehört die Konstruktion und Befestigung von tragenden Karosseriekonstruktionen innerhalb des BIW wie Schienenkonstruktionen, Wippen, Kipphebel, A-, B- und C-Säulen sowie Unterbodenquerträger. Weitere spezifische Fälle, in denen auch das Laserschweißen eingesetzt werden kann, sind nichttragende Befestigungen innerhalb des BIW, wie z.B. die Befestigung eines Daches an einer Seitenwand, und die Verbindung von darüberliegenden Flanschen, wie sie bei der Konstruktion von Türen, Motorhaube und Kofferraum auftreten.
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Die Praxis des Laserschweißens kann für bestimmte Arten von metallischen Werkstücken Herausforderungen darstellen. Wenn es sich bei den im Werkstückstapel enthaltenen Metallwerkstücken beispielsweise um Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke handelt, können die beim Laserschweißen im Schmelzmetallschweißbad entstehende Turbulenz und die Tendenz, dass Gase im Schweißbad eingeschlossen werden, was beim Abkühlen und Erstarren des geschmolzenen Werkstückmaterials zu Porositätsfehlern führt, zu einer gestörten und aufgerauten oberen Fläche in der schließlich gebildeten Laserschweißfügestelle führen. Eine grobe obere Fläche der Laserschweißfügestelle lässt nicht nur eine schlechte Schweißfügestelle erkennen, auch wenn die Schweißfügestelle strukturell einwandfrei ist und zufriedenstellende mechanische Eigenschaften aufweist, sondern kann auch rissempfindliche Eigenspannungskonzentrationspunkte und insbesondere Spannungsrisskorrosion erzeugen, wenn die Fügestelle in einer korrosiven Umgebung einer Zugbelastung ausgesetzt ist. Eine grobe obere Fläche der Laserschweißfügestelle kann auch Dichtungsstreifen beschädigen, die über der Fügestelle angebracht werden können, wenn sich die Fügestelle an einer Fahrzeugtür oder entlang einer Tür- oder Fensteröffnung des BIW befindet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Zusammenfügen von metallischen Werkstücken kann mehrere Schritte umfassen. In einem ersten Schritt wird in einem Werkstückstapel eine Laserschweißfügestelle gebildet, die zwei oder mehr überlappende Metallwerkstücke miteinander verschweißt. Die Laserschweißfügestelle erstreckt sich in den Werkstückstapel von einer oberen Fläche des Stapels zu einer unteren Fläche des Stapels und schneidet mindestens eine Stoßschnittstelle, die zwischen der oberen - und unteren Fläche des Werkstückstapels eingerichtet ist. Die ursprünglich gebildete Laserschweißfügestelle weist eine anfängliche obere Fläche benachbart der oberen Fläche des Werkstückstapels auf. In einem zweiten Schritt wird die Laserschweißfügestelle durch einen Laserstrahl beaufschlagt und der Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle bewegt, um einen oberen Abschnitt der Laserschweißfügestelle zu schmelzen. Der geschmolzene obere Teil der Laserschweißfügestelle weist die anfängliche obere Fläche auf. In einem dritten Schritt wird der Laserstrahl von der Laserschweißfügestelle entfernt, damit der obere Teil der Fügestelle wieder erstarren kann und die Laserschweißfügestelle eine modifizierte obere Fläche erhält. Die modifizierte obere Fläche der Laserschweißfügestelle ist glatter als die ursprüngliche obere Fläche.
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Der Werkstückstapel des Verfahrens dieser speziellen Ausführungsform kann zwei oder drei sich überlappende Metallwerkstücke aufweisen. In einer Implementierung des Verfahrens ist jedes der zwei oder drei sich überlappenden Metallwerkstücke ein Stahlwerkstück. In einer weiteren Implementierung des Verfahrens ist jedes der überlappenden Metallwerkstücke ein Aluminiumwerkstück. Und in noch einer weiteren Implementierung des Verfahrens ist jedes der sich überlappenden Metallwerkstücke ein Magnesiumwerkstück. Darüber hinaus kann die ursprünglich im Werkstückstapel gebildete Laserschweißfügestelle eine Laserpunkt-Schweißfügestelle oder eine Lasernaht-Schweißfügestelle sein, unabhängig von der Anzahl der sich überschneidenden Metallwerkstücke, die im Stapel enthalten sind, und der Zusammensetzung dieser Metallwerkstücke. Die anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle, ob Punkt- oder Nahtschweißfügestelle oder eine andere Struktur, kann eine Flächenrauheit (Ra) von 5 µm bis 10 µm aufweisen, und die anschließend abgeleitete modifizierte obere Fläche der Laserschweißfügestelle, die niedriger ist als die der anfänglichen oberen Fläche, kann eine Flächenrauheit (Ra) von 0,5 µm bis 3 µm aufweisen.
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Der Laserstrahl, der auf die anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle trifft und entlang dieser bewegt wird, um schließlich den oberen Teil der Schweißfügestelle zu schmelzen, kann ein Festkörperlaserstrahl sein. Ein solcher Laserstrahl kann von einer Remote-Laserschweißvorrichtung auf die anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle gerichtet und entlang dieser bewegt werden. Dabei kann beispielsweise der Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 50 m/min bis 130 m/min bewegt werden. Und während der Zeit, in der der Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle bewegt wird, kann der Leistungspegel des Laserstrahls zwischen 1 kW und 3 kW und die Fokusposition des Laserstrahls zwischen 0 mm und -50 mm liegen. Der geschmolzene obere Teil der Laserschweißfügestelle kann natürlich mit anderen Arten von Laserschweißvorrichtungen und unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken realisiert werden. In jedem Fall kann der obere Teil der Laserschweißfügestelle, der durch den Laserstrahl geschmolzen wird, in bestimmten Ausführungsformen zwischen 10 Vol.-% und 30 Vol.-% der Laserschweißfügestelle ausmachen.
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Die Laserschweißfügestelle, die ursprünglich innerhalb des Werkstückstapels gebildet ist und zwei oder mehr metallische Werkstücke miteinander verschweißt, kann durch Verwendung eines Laserstrahls von derselben oder einer anderen Laserschweißvorrichtung erhalten werden. Genauer gesagt, kann die Laserschweißfügestelle gebildet werden, indem zuerst ein Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels gerichtet wird, wodurch ein Schmelzmetallschweißbad entsteht, das in den Werkstückstapel eindringt und die mindestens eine Stoßschnittstelle zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche des Stapels schneidet. Sobald das Schmelzmetallschweißbad erzeugt ist, wird ein Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlwandermusters vorgeschoben, um das Schmelzmetallschweißbad entlang einer entsprechenden Strecke innerhalb des Werkstückstapels zu verschieben, um die Laserschweißfügestelle zu bilden. Auf diese Weise wird die Laserschweißfügestelle aus einem Verbundwerkstückmaterial gebildet oder verfestigt, das aus jedem der von dem Schmelzmetallschweißbad durchdrungenen Metallwerkstücke abgeleitet ist. Die Bildung der Laserschweißfügestelle kann darüber hinaus im Schlüssellochschweißmodus erfolgen. Dabei wird ein Schlüsselloch unter dem Strahlpunkt des Laserstrahls erzeugt. Das Schlüsselloch ist von dem Schmelzmetallschweißbad umgeben. Somit wird das Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels zusammen mit dem Schmelzmetallschweißbad während des Vorschubs des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang des Strahlwegmusters verschoben.
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Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Zusammenfügen von metallischen Werkstücken kann mehrere Schritte umfassen. In einem ersten Schritt wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der zwei oder mehr metallische Werkstücke aufweist, die sich zur Definition eines Schweißbereichs überlappen. Der Schweißbereich des Werkstückstapels weist eine obere Fläche und eine untere Fläche auf und bildet weiterhin eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter metallischer Werkstücke, die in den Stapel aufgenommen werden. Alle zwei oder mehr metallischen Werkstücke im Werkstückstapel sind Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke. In einem zweiten Schritt wird ein erster Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels gerichtet, um ein Schmelzmetallschweißbad zu erzeugen, das in den Werkstückstapel eindringt und mindestens eine Stoßschnittstelle zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche des Stapels schneidet. In einem dritten Schritt wird ein Strahlpunkt des ersten Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels entlang eines Strahlwandermusters vorgeschoben, um das Schmelzmetallschweißbad entlang einer entsprechenden Strecke innerhalb des Werkstückstapels zu verschieben, um eine Laserschweißfügestelle zu bilden, die aus jedem der von dem Schmelzmetallschweißbad durchdrungenen Metallwerkstücke abgeleitetes oder rückverfestigtes Verbundwerkstoffmaterial besteht. Die ursprünglich gebildete Laserschweißfügestelle weist eine anfängliche obere Fläche benachbart der oberen Fläche des Werkstückstapels auf. In einem vierten Schritt wird die Laserschweißfügestelle durch einen zweiten Laserstrahl beaufschlagt und der zweite Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle bewegt, um einen oberen Abschnitt der Schweißfügestelle, der die anfängliche obere Fläche einschließt, zu schmelzen. In einem fünften Schritt wird der zweite Laserstrahl aus der Laserschweißfügestelle entfernt, damit der obere Teil der Fügestelle wieder erstarren kann und die Laserschweißfügestelle eine modifizierte obere Fläche erhält. Die modifizierte obere Fläche der Laserschweißfügestelle ist glatter als die ursprüngliche obere Fläche.
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Die vorgenannte Ausführungsform des Verfahrens zum Zusammenfügen von metallischen Werkstücken kann weiter definiert werden. Der Werkstückstapel kann beispielsweise zwei oder drei überlappende Metallwerkstücke aufweisen, die alle Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sind. In einer weiteren Implementierung kann die anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle eine Flächenrauheit (Ra) von 5 µm bis 10 µm aufweisen, und die anschließend abgeleitete modifizierte obere Fläche der Laserschweißfügestelle, die niedriger ist als die der anfängliche oberen Fläche, kann eine Flächenrauheit (Ra) von 0,5 µm bis 3 µm aufweisen, obwohl es durchaus Situationen geben kann, in denen die Flächenrauheitsmessungen der anfänglichen bzw. modifizierten oberen Fläche der Laserschweißfügestelle außerhalb eines oder beider dieser Bereiche liegen. Darüber hinaus kann der zweite Laserstrahl, der zum Schmelzen des oberen Teils der Laserschweißfügestelle verwendet wird, ein Festkörperlaserstrahl sein, der auf die anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle durch eine Remote-Laserschweißvorrichtung gerichtet ist und entlang dieser bewegt wird. Dabei kann der zweite Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 50 m/min bis 130 m/min bewegt werden. Und während der Zeit, in der der zweite Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle bewegt wird, kann der Leistungspegel des zweiten Laserstrahls zwischen 1 kW und 3 kW und die Fokusposition des zweiten Laserstrahls zwischen 0 mm und -50 mm liegen.
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Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Zusammenfügen von metallischen Werkstücken kann mehrere Schritte umfassen. In einem ersten Schritt wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der zwei oder drei Metallwerkstücke aufweist, die sich zur Definition eines Schweißbereichs überlappen. Der Schweißbereich des Werkstückstapels weist eine obere und eine untere Fläche auf und bildet weiterhin eine Stoßschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter metallischer Werkstücke, die in den Stapel aufgenommen werden. Alle zwei oder mehr metallischen Werkstücke im Werkstückstapel sind Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke. In einem zweiten Schritt wird ein abtastender optischer Laserkopf einer Remote-Laserschweißvorrichtung betrieben, um einen ersten Laserstrahl auf die obere Fläche des Werkstückstapels zu richten und zusätzlich einen Strahlpunkt des ersten Laserstrahls relativ zur oberen Fläche des Stapels innerhalb des Schweißbereichs entlang eines Strahlwegmusters zu bewegen, um ein Schlüsselloch und ein umgebendes Schmelzmetallschweißbad entlang einer entsprechenden Strecke innerhalb des Werkstückstapels zu verschieben. Eine solche Verschiebung des Schlüssellochs und des umgebenden Schmelzmetallschweißbades bildet eine Laserschweißfügestelle, die sich in den Werkstückstapel erstreckt und jede Stoßschnittstelle schneidet, die zwischen der oberen und unteren Fläche des Werkstückstapels eingerichtet wurde, um die zwei oder drei metallischen Werkstücke miteinander zu verschweißen. Die ursprünglich gebildete Laserschweißfügestelle weist eine anfängliche obere Fläche benachbart der oberen Fläche des Werkstückstapels auf. In einem dritten Schritt wird der abtastende optische Laserkopf der Remote-Laserschweißvorrichtung erneut betrieben, um die anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle mit einem zweiten Laserstrahl zu treffen und zusätzlich den zweiten Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle zu bewegen, um einen oberen Abschnitt der Laserschweißfügestelle, der die anfängliche obere Fläche der Schweißfügestelle einschließt, zu schmelzen. Der obere Abschnitt, der durch den zweiten Laserstrahl geschmolzen wird, kann zwischen 10 Vol.-% und 30 Vol.-% der Laserschweißfügestelle ausmachen. In einem vierten Schritt wird der zweite Laserstrahl von der Laserschweißfügestelle entfernt, damit der obere Teil der Fügestelle wieder erstarren kann und die Laserschweißfügestelle eine modifizierte obere Fläche erhält. Die modifizierte obere Fläche der Laserschweißfügestelle ist glatter als die ursprüngliche obere Fläche.
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Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl, die in der vorgenannten Ausführungsform des Verfahrens zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken verwendet werden, können jeweils ein Festkörperlaserstrahl sein. Darüber hinaus kann der erste Laserstrahl relativ zur oberen Fläche des Werkstückstapels entlang seines Strahlverfahrmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 2 m/min bis 50 m/min bewegt werden, während ein Leistungspegel des ersten Laserstrahls von 2 kW bis 6 kW und eine Fokusposition des ersten Laserstrahls von +10 mm bis -10 mm reicht. Andererseits kann der zweite Laserstrahl entlang der anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 50 m/min bis 130 m/min bewegt werden, während ein Leistungspegel des zweiten Laserstrahls von 1 kW bis 3 kW und eine Fokusposition von 0 mm bis -50 mm reicht. Unter Umständen können jedoch einer des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls oder beide Laserstrahlen außerhalb einer oder mehrerer der gerade genannten Laserstrahlcharakteristiken liegen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine allgemeine Darstellung eines Werkstückstapels, der überlappende Metallwerkstücke zusammen mit einer Remote-Laserschweißvorrichtung aufweist, die das offenbarte Verfahren zum Zusammenfügen der überlappenden Metallwerkstücke durchführen kann;
- 1A ist eine vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten Laserstrahls, die einen Fokuspunkt und eine Längsachse eines allgemeinen Laserstrahls zeigt, der sowohl für den ersten als auch für den zweiten Laserstrahl repräsentativ ist, die in einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens eingesetzt sind;
- 2 ist eine Querschnittsansicht einer Werkstückstapelung während der Bildung einer Laserschweißfügestelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung, bei der ein erster Laserstrahl auf die Werkstückstapelung gerichtet und relativ zu einer oberen Fläche des Stapels durch einen abtastenden optischen Laserkopf einer Remote-Laserschweißvorrichtung manövriert wird, und wobei die Werkstückstapelanordnung zwei sich überlappende Metallwerkstücke aufweist;
- 3 ist eine Querschnittsansicht einer Werkstückstapelung während der Bildung einer Laserschweißfügestelle gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung, bei der ein erster Laserstrahl auf die Werkstückstapelung gerichtet und in Bezug auf eine obere Fläche des Stapels durch einen abtastenden optischen Laserkopf einer Remote-Laserschweißvorrichtung manövriert wird, und bei der die Werkstückstapelung drei überlappende Metallwerkstücke anstelle von zwei statt wie in 2 dargestellt aufweist;
- 4 ist eine erhöhte perspektivische Ansicht eines Werkstückstapels, die eine Laserpunkt-Schweißfügestelle zeigt, die die überlappenden Werkstücke zusammen mit einem Strahlwegmuster verschweißt, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung durch einen zweiten Laserstrahl verfolgt werden kann, um einen oberen Abschnitt der Laserpunkt-Schweißfügestelle mit einer anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle zu schmelzen, und wobei das hier dargestellte Strahlwegmuster aus einem einzigen Spiralschweißweg besteht;
- 5 ist eine erhöhte perspektivische Ansicht eines Werkstückstapels, die eine Lasernahtschweißfügestelle zeigt, die die überlappenden Werkstücke zusammen mit einem Strahlwegmuster verschweißt, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung durch einen zweiten Laserstrahl verfolgt werden kann, um einen oberen Abschnitt der Lasernahtschweißfügestelle mit einer anfänglichen oberen Fläche der Laserschweißfügestelle zu schmelzen, und wobei das hier dargestellte Strahlwegmuster aus einem einzigen kontinuierlichen sinusförmigen Schweißweg besteht;
- 6 ist eine verallgemeinerte Querschnittsansicht der Laserschweißfügestelle, die durch den ersten Laserstrahl gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung erzeugt wird und die repräsentativ für die in den 4-5 dargestellten Punkt- und Naht-Laserschweißfügestellen ist, wobei die Laserschweißfügestelle eine anfängliche obere Fläche aufweist;
- 7 ist eine verallgemeinerte Querschnittsansicht der Laserschweißfügestelle, die zuvor durch den ersten Laserstrahl gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung erzeugt wurde, zusammen mit einem zweiten Laserstrahl, der auf die anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle trifft und relativ zur anfänglichen oberen Fläche bewegt wird, um einen oberen Abschnitt der Laserschweißfügestelle, der die anfängliche obere Fläche einschließt, zu schmelzen; und
- 8 ist eine verallgemeinerte Querschnittsansicht der Laserschweißfügestelle, nachdem der geschmolzene obere Teil der Schweißfügestelle wieder erstarren durfte, um der Laserschweißfügestelle eine modifizierte obere Fläche zu verleihen, die glatter ist als die anfängliche obere Fläche der ursprünglich gebildeten Laserschweißfügestelle.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Das offenbarte Verfahren zum Zusammenfügen zweier oder mehrerer gestapelter metallischer Werkstücke besteht darin, einen oberen Teil einer bereits gebildeten Laserschweißfügestelle mit einem Laserstrahl zu schmelzen. Der geschmolzene obere Abschnitt weist eine anfängliche obere Fläche der Laserschweißfügestelle auf, die aufgrund der Dynamik, die beim Verschieben eines Schmelzmetallschweißbades durch den Werkstückstapel und beim Verfestigen des resultierenden geschmolzenen Werkstückmaterials entsteht, etwas grob sein kann. Bei der Erstarrung setzt sich der geschmolzene obere Teil der Laserschweißfügestelle ab und die Flächenspannung des momentan vorhandenen geschmolzenen Metalls führt zu einer modifizierten oberen Fläche der Laserschweißfügestelle, die glatter ist als die ursprüngliche obere Fläche. Durch das Versehen der Laserschweißfügestelle mit einer glatteren modifizierten oberen Fläche, die im Wesentlichen die freiliegende Fläche der Laserfügestelle ist, die angrenzend an eine obere Fläche des Werkstückstapels angeordnet ist, werden Eigenspannungskonzentrationspunkte, die anfällig für Rissbildung und -ausbreitung sein können, entfernt und die Laserschweißfügestelle ist weniger anfällig für Beschädigungen von Dichtstreifen, die in unmittelbarer Nähe der Fügestelle aufgebracht werden können. Die glattere modifizierte obere Fläche verleiht der Laserschweißfügestelle auch ein ästhetischeres Aussehen.
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Die Bildung der Laserschweißfügestelle und das anschließende Schmelzen des oberen Teils der Schweißfügestelle, einschließlich ihrer oberen Fläche, kann separat von jeder Art von Laserschweißvorrichtung, wie beispielsweise einer Remote-Laserschweißvorrichtung oder einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung, durchgeführt werden. Der Laserstrahl, der zum Bilden der Laserschweißfügestelle verwendet wird, und der Laserstrahl, der zum Versehen der Fügestelle mit einer glatteren modifizierten Fläche verwendet wird, können jeweils ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl abhängig von den Eigenschaften der zu verbindenden metallischen Werkstücke und dem Laserschweißmodus (Leitung, Schlüsselloch usw.), der verwendet werden soll, sein. Einige bemerkenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein direkter Diodenlaser und ein Nd: YAG-Laser, und ein bemerkenswerter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO2-Laser, obwohl andere Lasertypen sicherlich verwendet werden können. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, die im Folgenden näher beschrieben wird, wird eine Remote-Laserschweißvorrichtung eingesetzt, um sowohl die Laserschweißfügestelle zu bilden als auch direkt danach den oberen Teil der Laserschweißfügestelle zu schmelzen. In diesem Zusammenhang werden hier die Begriffe „erster Laserstrahl“ und „zweiter Laserstrahl“ verwendet, um (1) den Laserstrahl, der die ursprüngliche Laserschweißfügestelle bildet, und (2) den Laserstrahl zu identifizieren, der den oberen Teil der zuvor gebildeten Laserschweißfügestelle schmilzt, obwohl dieselbe Schweißvorrichtung jeden dieser Laserstrahlen sendet.
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Das offenbarte Verfahren zum Zusammenfügen von zwei oder mehr metallischen Werkstücken kann an einer Vielzahl von Werkstückstapelkonfigurationen durchgeführt werden. So kann beispielsweise das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einem „2T“ -Werkstückstapel (1 - 2) verwendet werden, der zwei überlappende Metallwerkstücke aufweist, oder es kann in Verbindung mit einem „3T“-Werkstückstapel (3) verwendet werden, der drei überlappende Metallwerkstücke aufweist. Darüber hinaus kann das offenbarte Verfahren in einigen Fällen in Verbindung mit einem „4T“ -Werkstückstapel (nicht dargestellt) verwendet werden, der vier überlappende Metallwerkstücke aufweist. Die zwei oder mehr metallischen Werkstücke, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, können alle Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sein, und sie müssen nicht unbedingt die gleiche Zusammensetzung oder Dicke wie die anderen im Stapel aufweisen. Das offenbarte Verfahren wird im Wesentlichen auf die gleiche Weise durchgeführt, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, unabhängig davon, ob der Werkstückstapel zwei überlappende Metallwerkstücke oder mehr als zwei überlappende Metallwerkstücke aufweist. Unterschiede in den Werkstückstapelkonfigurationen können durch die Anpassung der Eigenschaften der eingesetzten Laserstrahlen leicht ausgeglichen werden.
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Unter nunmehr allgemeiner Bezugnahme auf 1 ist ein Werkstückstapel 10 dargestellt, in dem der Stapel 10 mindestens ein erstes Metallwerkstück 12 und ein zweites Metallwerkstück 14 aufweist, die sich zur Definition eines Schweißbereichs 16 überlappen. Eine Remote-Laserschweißvorrichtung 18, die das offenbarte Werkstückfügeverfahren durchführen kann, ist ebenfalls dargestellt. Innerhalb der Grenzen des Schweißbereichs 16 bilden die ersten und zweiten metallischen Werkstücke 12, 14 eine obere Fläche 20 und eine untere Fläche 22 des Werkstückstapels 10. Die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 wird der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zur Verfügung gestellt und ist durch einen Laserstrahl 24 zugänglich, der von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 ausgeht. Und da für das Laserschweißen nur einseitiger Zugang erforderlich ist, entfällt die Notwendigkeit, die untere Fläche 22 des Werkstückstapels 10 in gleicher Weise zugänglich zu machen. Die hierin verwendeten Begriffe „obere Fläche“ und „untere Fläche“ sind relative Bezeichnungen, die die Fläche des Stapels 10 (obere Fläche), die näher an der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 liegt und zu dieser weist, und die Fläche des Stapels 10 (untere Fläche) identifizieren, die in die entgegengesetzte Richtung weist.
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Der Werkstückstapel 10 kann nur die ersten und zweiten metallischen Werkstücke 12, 14 aufweisen, wie in den 1-2 dargestellt. Unter diesen Umständen und wie in 2 am besten dargestellt, weist das erste Metallwerkstück 12 eine äußere Außenfläche 26 und eine erste Stoßfläche 28 auf, und das zweite Metallwerkstück 14 weist eine äußere Außenfläche 30 und eine zweite Stoßfläche 32 auf. Die äußere Außenfläche 26 des ersten Metallwerkstücks 12 bildet die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 und die äußere Außenfläche 30 des zweiten Metallwerkstücks 14 bildet die gegenüberliegende untere Fläche 22 des Stapels 10. Und da die beiden Metallwerkstücke 12, 14 die einzigen im Werkstückstapel 10 vorhandenen Werkstücke sind, überlappen sich die ersten und zweiten Stoßflächen 28, 32 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 innerhalb des Schweißbereichs 16 und liegen einander gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 34 zu bilden. In weiteren Ausführungsformen, von denen eine im Folgenden in Verbindung mit 3 beschrieben wird, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches drittes Metallwerkstück aufweisen, das zwischen dem ersten und zweiten Metallwerkstück 12, 14 angeordnet ist, um den Stapel 10 mit drei statt zwei Metallwerkstücken zu versehen.
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Der Begriff „Stoßschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung allgemein verwendet und soll ein breites Spektrum von überlappenden Beziehungen zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßflächen 28, 32 der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 umfassen, die der Praxis des Laserschweißens gerecht werden können. So können beispielsweise die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie direkt oder indirekt in Kontakt stehen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen beim physischen Aufeinandertreffen in direktem Kontakt miteinander und sind nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht oder Spalten getrennt, die außerhalb der normalen Montagetoleranzbereiche liegen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht wie eine Versiegelung oder einen Klebstoff getrennt sind - und sind somit nicht dem Typ von Grenzflächenanlage ausgesetzt, die für den direkten Kontakt typisch ist - befinden sich jedoch in einer ausreichend engen Nähe, die für das Laserschweißen geeignet ist. Als weiteres Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 herstellen, indem sie durch vorgegebene Lücken getrennt werden. Solche Lücken können zwischen den Stoßflächen 28, 32 durch Erzeugen von vorstehenden Merkmalen auf einer oder beiden der Stoßflächen 28, 32 durch Laserritzen, mechanisches Dellen oder anderweitig auferlegt werden. Die vorstehenden Merkmale halten intermittierende Kontaktpunkte zwischen den Stoßflächen 28, 32 aufrecht, die die Flächen 28, 32 außerhalb und um die Kontaktpunkte herum um bis zu 1,0 mm auseinander halten.
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Unter Bezugnahme auf 3 weist das erste metallische Werkstück 12 ein erstes Basismetallsubstrat 36 und das zweite metallische Werkstück 14 ein zweites Basismetallsubstrat 38 auf. Die ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 können alle aus Stahl, Aluminium oder Magnesium bestehen, d.h. die ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 sind beide aus Stahl, beide aus Aluminium oder beide aus Magnesium. Mindestens eines der ersten oder zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 kann eine Flächenbeschichtung 40 aufweisen. Die Flächenbeschichtung(en) 40 können auf einem oder beiden der Basismetallsubstrate 36, 38 aus verschiedenen Gründen, einschließlich Korrosionsschutz, Festigkeitssteigerung und/oder zur Verbesserung der Verarbeitung, verwendet werden, und die Zusammensetzung der Beschichtung(en) 40 basiert weitgehend auf der Zusammensetzung der darunter liegenden Basismetallsubstrate 36, 38. Unter Berücksichtigung der Dicke der Basismetallsubstrate 36, 38 und ihrer optionalen Flächenbeschichtungen 40 liegt jede einer Dicke 121 des ersten Metallwerkstücks 12 und einer Dicke 141 des zweiten Metallwerkstücks 14 vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 6,0 mm zumindest innerhalb des Schweißbereichs 16. Die Dicken 121, 141 des ersten und zweiten Metallwerkstücks 12, 14 können gleich oder unterschiedlich sein.
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Jedes der ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 kann mit einer Flächenbeschichtung 40 beschichtet werden, wie hier in 2 dargestellt. Die Flächenbeschichtungen 40 wiederum versorgen die Metallwerkstücke 12, 14 mit ihren jeweiligen Außenflächen 26, 30 und ihren jeweiligen Stoßflächen 28, 32. In einer weiteren Ausführungsform weist nur das erste Basismetallsubstrat 36 eine Flächenbeschichtung 40 auf, während das zweite Metallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist. Unter diesen Umständen stellt die Flächenbeschichtung 40, die das erste Basismetallsubstrat 36 bedeckt, das erste Metallwerkstück 12 mit seinen äußeren Außen- und Stoßflächen 26, 28 bereit, während das zweite Basismetallsubstrat 38 das zweite Metallwerkstück 14 mit seinen äußeren Außen- und Stoßflächen 30, 32 versieht. In noch einer weiteren Ausführungsform weist nur das zweite Basismetallsubstrat 38 die Flächenbeschichtung 40 auf, während das erste Basismetallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist. Folglich stellt in diesem Fall das erste Basismetallsubstrat 36 das erste Metallwerkstück 12 mit seinen äußeren Außen- und Stoßflächen 26, 28 zur Verfügung, während die Flächenbeschichtung 40, die das zweite Basismetallsubstrat 38 bedeckt, das zweite Metallwerkstück 14 mit seinen äußeren Außen- und Stoßflächen 30, 32 versieht.
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Die Basismetallsubstrate 36, 38 können eine Vielzahl von Metallformen und - zusammensetzungen annehmen, die zu den breit angeführten Basismetallgruppen von Stahl, Aluminium und Magnesium gehören. Wenn sie beispielsweise aus Stahl bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (im Moment als das erste und zweite Basismetallsubstrat 36, 38 bezeichnet) separat aus einer Vielzahl von Stählen bestehen, einschließlich eines kohlenstoffarmen (Weich-) Stahl, eines interstitiell freien (IF) Stahls und eines Bake-Hardening-Stahls, hochfesten niedriglegierten (HSLA) Stahls, zweiphasigen (DP) Stahls, komplexphasigen (CP) Stahls, martensitischen (MART) Stahls, Stahls mit umwandlungsbewirkter Plastizität (TRIP), Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierte Plastizität (TWIP) und Borstahl, wie wenn das Werkstück (die Werkstücke) 12, 14 pressgehärteten Stahl (PHS) aufweisen . Darüber hinaus kann jedes der ersten und zweiten Basisstahlsubstrate 36, 38 behandelt worden sein, um einen bestimmten Satz mechanischer Eigenschaften zu erhalten, einschließlich der Wärmebehandlungsprozesse wie Glühen, Abschrecken und/oder Anlassen. Die ersten und zweiten Basisstahlsubstrate 36, 38 können warm oder kalt auf ihre Enddicke gewalzt sein und können vorgefertigt werden, um ein spezielles Profil zu erhalten, das für die Montage in den Werkstückstapel 10 geeignet ist.
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Die Flächenbeschichtung 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 sind Zink oder eine Zinklegierung, wie beispielsweise eine Zink-Nickel-Legierung oder eine Zink-Eisen-Legierung. Eine besonders bevorzugte Zink-Eisen-Legierung, die verwendet werden kann, hat eine mittlere Massenzusammensetzung, die 8 Gew.-% bis 12 Gew.-% Eisen und 0,5 Gew.-% bis 4 Gew.-% Aluminium aufweist, wobei der Rest (in Gew.-%) Zink ist. Eine Beschichtung aus einem Material auf Zinkbasis kann durch Feuerverzinkung (feuerverzinkte Zinkschicht), Elektroverzinkung (galvanische Zinkschicht) oder Galvanisieren (galvanische Zink-Eisen-Legierung), typischerweise in einer Dicke von 2 µm bis 50 µm, aufgebracht werden, wobei andere Verfahren und Dicken der erhaltenen Beschichtung (en) eingesetzt werden können. Einige Beispiele für ein geeignetes Material auf Aluminiumbasis sind Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung und eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Eine Beschichtung aus einem Material auf Aluminiumbasis kann durch Tauchbeschichtung aufgebracht werden, typischerweise in einer Dicke von 2 µm bis 30 µm, wobei andere Beschichtungsverfahren und Dicken der erhaltenen Beschichtung(en) verwendet werden können. Unter Berücksichtigung der Dicken der Basisstahlsubstrate 36, 38 und ihrer Flächenbeschichtung(en) 40, falls vorhanden, liegt die Gesamtdicke jedes der ersten und zweiten Stahlwerkstücke 12, 14 vorzugsweise im Bereich von 0,4 mm bis 4,0 mm, oder enger von 0,5 mm bis 2,0 mm zumindest durch den Schweißbereich 16.
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Wenn die ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 aus Aluminium bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (im Moment als die ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 bezeichnet) separat aus unlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die mindestens 85 Gew.-% Aluminium aufweist, bestehen. Einige bemerkenswerte Aluminiumlegierungen, die die ersten und/oder zweiten Basisaluminiumsubstrate 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 werden. So kann beispielsweise jedes der Basisaluminiumsubstrate 36, 38 aus Aluminium-Knetlegierungsblech der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx, stranggepresstem, geschmiedetem oder anderem bearbeitetem Gegenstand oder einem Aluminiumlegierungsguss der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die als erstes und/oder zweites Basisaluminiumsubstrat 36, 38 verwendet werden können, sind AA5182 und AA5754 Aluminium-Magnesium-Legierung, AA6011 und AA6022 Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, AA7003 und AA7055 Aluminium-Zink-Legierung und AI-10Si-Mg Aluminium-Druckgusslegierung. Die ersten und/oder zweiten Basisaluminiumsubstrate 36, 38 können in einer Vielzahl von Härtegraden verwendet werden, einschließlich geglüht (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T).
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Die Flächenbeschichtung 40, die auf einem oder beiden der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 vorhanden ist, kann eine native feuerfeste Oxidbeschichtung aus Aluminiumoxidverbindungen sein, die sich passiv bildet, wenn frisches Aluminium aus dem Aluminiumbasissubstrat 36, 38 der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Flächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Beschichtung aus Zink oder Zinn sein, oder es kann eine Metalloxidumwandlungsbeschichtung aus Oxiden von Titan, Zirkonium, Chrom oder Silizium sein, wie in der US-Patentanmeldung Nr. US 2014 / 0 360 986 angegeben. Eine typische Dicke der Flächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt je nach Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Art und Weise, wie die Beschichtung 40 abgeleitet wird, zwischen 1 nm und 10 µm, wobei jedoch andere Dicken verwendet werden können. Passiv gebildete feuerfeste Oxidbeschichtungen weisen beispielsweise oft Dicken im Bereich von 2 nm bis 10 nm auf, wenn das darunterliegende Aluminiummaterial eine Aluminiumlegierung ist. Unter Berücksichtigung der Dicken der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 und ihrer Flächenbeschichtung(en) 40, falls vorhanden, liegt die Gesamtdicke jedes der ersten und zweiten Aluminium-Werkstücke 12, 14 vorzugsweise im Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, oder enger von 0,5 mm bis 3,0 mm zumindest durch den Schweißbereich 16.
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Wenn die ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 aus Magnesium bestehen, kann jedes der Basismetallsubstrate 36, 38 (im Moment als die ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 bezeichnet) separat aus unlegiertem Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, die mindestens 85 Gew.-% Magnesium enthält, bestehen. Einige bemerkenswerte Magnesiumlegierungen, die die ersten und/oder zweiten Basismagnesiumsubstrate 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 Magnesium-Seltenerdlegierung. Zusätzlich kann jedes der Magnesium-Basissubstrate 36, 38 separat in geschmiedeter (Blech, Extrusion, Schmieden oder einem anderen bearbeiteten Gegenstand) oder gegossener Form bereitgestellt werden. Einige spezifische Beispiele für Magnesiumlegierungen, die als erste und/oder zweite Basismagnesiumsubstrate 36, 38 verwendet werden können, sind unter anderem AZ91D Druckguss- oder Magnesiumknetlegierung (stranggepresst oder plattiert), AZ31 B Druckguss oder stranggepresste (stranggepresste oder plattierte) Magnesiumlegierung und AM60B Magnesiumdruckgusslegierung. Die ersten und/oder zweiten Basismagnesiumsubstrate 36, 38 können in einer Vielzahl von Härtegraden verwendet werden, einschließlich geglüht (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (W).
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Die Flächenbeschichtung 40, die auf einem oder beiden der Basismagnesiumsubstrate 36, 38 vorhanden ist, kann eine native feuerfeste Oxidbeschichtung aus Magnesiumoxidverbindungen (und möglicherweise Magnesiumhydroxidverbindungen) sein, die sich passiv bildet, wenn frisches Magnesium aus dem Basismagnesiumsubstrat 36, 38 der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Flächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Umwandlungsbeschichtung aus Metalloxiden, Metallphosphaten oder Metallchromaten sein. Eine typische Dicke der Flächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt je nach Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Art und Weise, wie die Beschichtung 40 abgeleitet wird, zwischen 1 nm und 10 µm, wobei jedoch andere Dicken verwendet werden können. Passiv gebildete feuerfeste Oxidbeschichtungen weisen beispielsweise oft Dicken im Bereich von 2 nm bis 10 nm auf, wenn das darunterliegende Magnesiummaterial eine Magnesiumlegierung ist. Unter Berücksichtigung der Dicken der Basismagnesiumsubstrate 36, 38 und ihrer Flächenbeschichtung(en) 40, falls vorhanden, liegt die Gesamtdicke jedes des ersten und zweiten Magnesium-Werkstücks 12, 14 vorzugsweise im Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm oder enger von 0,5 mm bis 3,0 mm zumindest durch den Schweißbereich 16.
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Die 1 - 2 veranschaulichen eine Ausführungsform des Werkstückstapels 10, der zwei sich überlappende Metallwerkstücke 12, 14 aufweist, die eine einzige Stoßschnittstelle 34 bilden. Natürlich kann, wie in 3 dargestellt, der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches drittes Metallwerkstück 150 mit einer Dicke 151 aufweisen, das sich zwischen dem ersten und zweiten Metallwerkstück 12, 14 befindet. Das dritte Metallwerkstück 150, falls vorhanden, weist ein drittes Basismetallsubstrat 152 auf, das blank oder mit einer Flächenbeschichtung 40 (wie dargestellt) beschichtet sein kann. Das dritte Metallwerkstück 150 ist in vielerlei Hinsicht den ersten und zweiten Metallwerkstücken 12, 14 ähnlich und dementsprechend gilt die oben dargestellte Beschreibung der ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 (insbesondere die Zusammensetzung der Basismetallsubstrate, deren mögliche Flächenbeschichtungen und die Werkstückdicken) vollständig für das dritte Metallwerkstück 150. Der Schweißbereich 16 in dieser Ausführungsform des Werkstückstapels 10 wird nun durch den Umfang der gemeinsamen Überlappung aller ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücke 12, 14, 150 definiert.
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Durch das überlappende Stapeln der ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücke 12, 14, 150 zum Bereitstellen des Werkstückstapels 10 weist das dritte Metallwerkstück 40 zwei Stoßflächen auf: eine dritte Stoßfläche 156 und eine vierte Stoßfläche 158. Die dritte Stoßfläche 156 überlappt die erste Stoßfläche 28 des ersten Metallwerkstücks 12 und liegt dieser gegenüber und die vierte Stoßfläche 158 überlappt die zweite Stoßfläche 32 des zweiten Metallwerkstücks 14 und liegt dieser gegenüber. Innerhalb des Schweißbereichs 16 bilden die gegenüberliegenden ersten und dritten Stoßflächen 28, 156 der ersten und dritten Metallwerkstücke 12, 150 eine erste Stoßschnittstelle 160 und die gegenüberliegenden zweiten und vierten Stoßflächen 32, 158 der zweiten und dritten Metallwerkstücke 14, 150 eine zweite Stoßschnittstelle 162. Diese Stoßschnittstellen 160, 162 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die oben in Bezug auf pFig. 1 - 2 beschriebene Stoßschnittstelle 34. Folglich sind in dieser Ausführungsform die äußeren Außenflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 noch in entgegengesetzten Richtungen voneinander abgewandt und bilden die Ober- und Unterflächen 20, 22 der Werkstückstapelung 10.
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Unter Bezugnahme auf 1 weist die Remote-Laserschweißvorrichtung 18 einen optischen Abtastlaserkopf 42 auf. Im Allgemeinen richtet der abtastende optische Laserkopf 42 die Übertragung des Laserstrahls 24 auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 (auch die äußere Außenfläche 26 des ersten metallischen Werkstücks 12). Der gerichtete Laserstrahl 24 weist einen Strahlpunkt 44 auf, der, wie in 1A dargestellt, die Querschnittsfläche des Laserstrahls 24 in einer Ebene ist, die entlang der oberen Fläche 20 des Stapels 10 ausgerichtet ist. Der optische Abtastlaserkopf 42 wird vorzugsweise an einem Roboterarm (nicht dargestellt) montiert, der den Laserkopf 42 schnell und präzise zu vielen verschiedenen vorgewählten Stellen innerhalb des Schweißbereichs 16 in schneller programmierter Folge tragen kann. Der Laserstrahl 24, der in Verbindung mit dem optischen Abtastlaserkopf 42 verwendet wird, ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich (allgemein als 700 nm bis 1 400 nm bezeichnet) des elektromagnetischen Spektrums arbeitet. Zusätzlich verfügt der Laserstrahl 24 über eine Leistungspegelfähigkeit, die eine Leistungsdichte erreichen kann, die ausreicht, um bei der Bildung der Laserschweißfügestelle auf Wunsch ein Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels 10 zu erzeugen. Die Leistungsdichte, die benötigt wird, um ein Schlüsselloch innerhalb der überlappenden Metallwerkstücke 12, 14 (und möglicherweise 150) zu erzeugen, liegt typischerweise im Bereich von 0,5 - 1,5 MW/cm2.
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Einige Beispiele für einen geeigneten Festkörperlaserstrahl, der in Verbindung mit der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 verwendet werden kann, sind ein Faserlaserstrahl, ein Scheibenlaserstrahl und ein direkter Diodenlaserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine mit einem Seltenerdelement dotierte Glasfaser ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, etc.). Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei dem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Seltenerdelement dotiert ist (z.B. ein ytterbiumdotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Yb: YAG) Kristall, der mit einer reflektierenden Fläche beschichtet ist) und an einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter direkter Diodenlaserstrahl ist ein kombinierter Laserstrahl (z.B. Wellenlänge kombiniert), der von mehreren Dioden abgeleitet ist, bei denen das Verstärkungsmedium mehrere Halbleiter sind, wie beispielsweise solche auf Basis von Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAS) oder Indiumgalliumarsenid (InGaAS). Lasergeneratoren, die jeden dieser Lasertypen und andere Varianten erzeugen können, sind im Handel erhältlich. Andere Festkörperlaserstrahlen, die hier nicht ausdrücklich erwähnt werden, können natürlich verwendet werden.
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Der optische Abtastlaserkopf 42 weist eine Anordnung von Spiegeln 46 auf, die den Laserstrahl 24 manövrieren und so den Strahlpunkt 44 entlang der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb einer Betriebsumgrenzung 48, die den Schweißbereich 16 zumindest teilweise überspannt, transportieren können. Hier wird, wie in 1 dargestellt, der von der Betriebsumgrenzung 48 überspannte Abschnitt der oberen Fläche 20 mit der x-y-Ebene bezeichnet, da die Position des Laserstrahls 24 innerhalb der Ebene durch die Koordinaten „ x“ und „ y“ eines dreidimensionalen Koordinatensystems identifiziert wird. Neben der Anordnung von Spiegeln 46 weist der optische Abtastlaserkopf 42 auch eine z-Achsen-Fokuslinse 50 auf, die einen Fokalpunkt 52 (1A) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse 54 des Laserstrahls 24 bewegen kann, um so die Position des Fokuspunktes 52 in einer z-Richtung zu variieren, die senkrecht zur x-y-Ebene in dem in 1 festgelegten dreidimensionalen Koordinatensystem ausgerichtet ist. Um zu verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen die optischen Systemkomponenten und die Integrität des Laserstrahls 24 beeinträchtigen, kann unter dem abtastenden optischen Laserkopf 42 ein Abdeckschlitten 56 angeordnet sein. Der Abdeckschlitten 56 schützt die Anordnung der Spiegel 46 und der z-Achsen- Fokuslinse 50 vor der Umgebung, lässt aber den Laserstrahl 24 ohne wesentliche Störungen aus dem abtastenden optischen Laserkopf 42 austreten.
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Die Anordnung der Spiegel 46 und der z-Achsen-Fokuslinse 50 arbeiten während des Betriebs der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 und seines Strahlpunkts 44 innerhalb der Betriebsumgrenzung 48 sowie die Position des Fokuspunkts 52 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24 zu bestimmen. Insbesondere die Anordnung der Spiegel 46 weist ein Paar kippbare Abtastspiegel 58 auf. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 58 ist auf einem Galvanometer 60 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 58 können die Position des Strahlpunkts 44 bewegen und so den Punkt, an dem der Laserstrahl 24 auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels 10 trifft, überall in der x-y-Ebene der Betriebsumgrenzung 48 durch präzise abgestimmte Kippbewegungen der Galvanometer 60 verändern. Gleichzeitig steuert die z-Achsen-Fokuslinse 50 die Position des Fokuspunktes 52 des Laserstrahls 24, um den Laserstrahl 24 mit der richtigen Leistungsdichte zu verwalten und die gewünschte Wärmeeinbringung sowohl augenblicklich als auch über die Zeit zu erreichen. Alle diese optischen Komponenten 50, 58 können in wenigen Millisekunden oder weniger schnell indexiert werden, um den Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 in Bezug auf die x-y-Ebene der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang eines oder mehrerer Strahlwegmuster mit einfacher oder komplexer Geometrie vorwärts zu bewegen, während die Position des Fokuspunkts 52 gesteuert wird.
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Eine Eigenschaft, die das Remote-Laserschweißen von anderen konventionellen Formen des Laserschweißens unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 24. Hier weist der Laserstrahl 24, wie in 1 am besten dargestellt, eine Brennweite 62 auf, die als Abstand zwischen dem Brennpunkt 52 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 58 gemessen wird, der den Laserstrahl 24 abfängt und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 den abtastenden optischen Laserkopf 42 verlässt. Die Brennweite 62 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,4 Metern bis 2,0 Metern mit einem Durchmesser des Fokuspunktes 52, der typischerweise zwischen 100 µm und 700 µm liegt. Die Brennweite sowie eine Fokaldistanz 64 lassen sich leicht einstellen. Der hier verwendete Begriff “ Fokaldistanz „ bezieht sich auf die Distanz zwischen dem Fokuspunkt 52 des Laserstrahls 24 und der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24, wie in 1A am besten dargestellt. Die Fokaldistanz 64 des Laserstrahls 24 ist somit Null, wenn der Fokuspunkt 52 auf der oberen Fläche 20 des Stapels 10 positioniert ist. Ebenso ist die Fokaldistanz ein positiver Entfernungswert (+), wenn der Fokuspunkt 52 über der oberen Fläche 20 positioniert ist, und ein negativer Entfernungswert (-), wenn er unter der oberen Fläche 20 positioniert ist.
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Es ist zu beachten, dass der in 1 dargestellte Laserstrahl 24 und der obige Begleittext, der den Laserstrahl 24 beschreibt, allgemein repräsentativ sein sollen, um die Beschreibung der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 zu erleichtern. In der Praxis des offenbarten Verfahrens zum Fügen von metallischen Werkstücken, wie im Folgenden näher beschrieben, wird der Laserstrahl 24 zeitlich sequentiell als erster Laserstrahl (Bezugszeichen 24' in 2-3), der ursprünglich eine Laserschweißfügestelle bildet, und dann als zweiter Laserstrahl (Bezugszeichen 24" in 7) betrieben, der einen oberen Teil der Laserschweißfügestelle schmilzt, um der Fügestelle eine glattere modifizierte obere Fläche zu verleihen. Zu diesem Zweck ist die Bezeichnung der Laserstrahlen als „erste“ und „zweite“ nachstehend nicht unbedingt dazu bestimmt, eine Differenz in der Art des Laserstrahls anzuzeigen - obwohl solche Unterschiede in anderen alternativen Ausführungsformen, in denen der erste und zweite Laserstrahl von verschiedenen Vorrichtungen übertragen werden, nicht ausgeschlossen sind -, sondern vielmehr dazu, die Reihenfolge der Übertragung der Laserstrahlen festzulegen und zwischen ihren beabsichtigten Funktionen zu unterscheiden (d.h. die Laserschweißfügestelle zu bilden oder den oberen Teil der zuvor gebildeten Fügestelle zu schmelzen). Der durch die Bezugszeichen 24 identifizierte Laserstrahl ist somit ein Indikator dafür, wie jeder der ersten und zweiten Laserstrahlen von der Remote-Laserschweißvorrichtung 18 geliefert und gesteuert wird.
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Bei dem derzeit offenbarten Fügeverfahren, das sich nun auf die 2-3 bezieht, wird im Werkstückstapel 10 eine Laserschweißfügestelle 66 gebildet, indem Teile der metallischen Werkstücke 12, 14 mit einem ersten Laserstrahl 24' kurzzeitig geschmolzen werden. Um die Laserschweißfügestelle 66 zu bilden, wird der erste Laserstrahl 24' vom abtastenden optischen Laserkopf 42 auf die obere Fläche 20 des Werkstückstapels an einer vorbestimmten Schweißstelle innerhalb des Schweißbereichs 16 gerichtet. Das resultierende Auftreffen des ersten Laserstrahls 24' auf die obere Fläche 20 des Stapels 10 erzeugt ein Schmelzmetallschweißbad 68 innerhalb des Stapels 10, das von der oberen Fläche 20 zur unteren Fläche 22 in den Stapel 10 eindringt und mindestens eine Stoßschnittstelle schneidet. So schneidet beispielsweise bei dem in 2 dargestellten 2T-Stapel das Schmelzmetallschweißbad 68 die Stoßschnittstelle 34 zwischen den Metallwerkstücken 12, 14 und kann ganz oder teilweise in den Werkstückstapel 10 eindringen. Ebenso schneidet das Schmelzmetallschweißbad 68 in dem in 3 dargestellten 3T-Stapelvorgang mindestens die erste Stoßschnittstelle 160 und in vielen Fällen beide Stoßschnittstellen 162 und kann ganz oder teilweise in den Werkstückstapel 10 eindringen. Ein vollständig durchdringendes Schmelzmetallschweißbad 68 durchdringt vollständig den Werkstückstapel 10 und durchbricht die untere Fläche 22, wie dargestellt, während ein teilweise durchdringendes Schmelzmetallschweißbad 68 bis zu einer gewissen Zwischentiefe eindringt und somit die untere Fläche 22 des Werkstückstapels 10 nicht durchbricht.
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Der erste Laserstrahl 24' weist zudem vorzugsweise eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um den Werkstückstapel 10 direkt unter dem Strahlpunkt 44 zu verdampfen. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 70, ebenfalls in den 2-3 dargestellt, das eine Säule aus verdampftem Werkstückmetall ist, die oft Plasma enthält. Das Schlüsselloch 70 ist innerhalb des Schmelzmetallschweißbades 68 ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzmetallschweißbad 68 nach innen einbricht. Und wie das Schmelzmetallschweißbad 68 dringt auch das Schlüsselloch 70 von der oberen Fläche 20 zur unteren Fläche 22 in den Werkstückstapel 10 ein und schneidet die Stoßschnittstelle 34 (oder die erste und/oder zweite Stoßschnittstelle 160, 162), die zwischen den ersten und zweiten Metallwerkstücken 12, 14 (oder den ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücken 12, 150, 14) eingerichtet ist. Das Schlüsselloch 70 stellt eine Leitung für den ersten Laserstrahl 24' zur Verfügung, um Energie nach unten in den Werkstückstapel 10 zu liefern, wodurch ein relativ tiefes und schmales Eindringen des Schmelzmetallschweißbades 68 in den Werkstückstapel 10 und eine relativ kleine umliegende Wärmeeinflusszone ermöglicht wird. Das Schlüsselloch 70 kann vollständig (wie dargestellt) oder teilweise in den Werkstückstapel 10 zusammen mit dem Schmelzmetallschweißbad 68 eindringen.
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Beim Erzeugen des Schmelzmetallschweißbades
68 und vorzugsweise des Schlüssellochs
70 wird der Strahlpunkt
44 des ersten Laserstrahls
24' in Vorwärtsrichtung
72 relativ zur oberen Fläche
20 des Werkstückstapels
10 in der x-y-Ebene der Betriebsumgrenzung
48 entlang eines Strahlwegmusters vorgeschoben. Das Strahlwegmuster kann eine oder mehrere Schweißbahnen aufweisen, die auf die obere Fläche
20 projiziert sind, wie beispielsweise eines der in PCT/
CN2016/106914 , PCT/
CN2016/102669 , PCT/
CN2016/083112 , PCT/
CN2015/094003 , PCT/
CN2015/088569 und PCT/
CN2015/088563 dargestellten Muster, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Der Vorschub des Strahlpunktes
44 des ersten Laserstrahls
24' entlang des Strahlwegmusters wird durch eine präzise Steuerung der koordinierten Bewegungen der kippbaren Abtastspiegel
58 innerhalb des optischen Abtastlaserkopfes
42 gesteuert. Da der Strahlpunkt
44 des ersten Laserstrahls
24' entlang des Strahlwegmusters vorgeschoben wird, wird das Schmelzmetallschweißbad
68 (zusammen mit dem Schlüsselloch
70, falls vorhanden) entlang einer entsprechenden Route innerhalb des Werkstückstapels
10 verschoben. Dadurch strömt das eindringende Schmelzmetallschweißbad
68 um und hinter dem Strahlpunkt
44 innerhalb des Werkstückstapels
10, wodurch sich das Schmelzmetallschweißbad
70 aufgrund des Fortschreitens des ersten Laserstrahls
24' verlängert.
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Nachdem der Strahlpunkt 44 des ersten Laserstrahls 24' das Verfolgen des Strahlwegmusters 66 beendet hat, wird die Übertragung des ersten Laserstrahls 24' gestoppt und das vom ersten Laserstrahl 24' erzeugte Werkstückmaterial kühlt und verfestigt sich zu einem wieder erstarrten Verbundwerkstückmaterial 74. Der wieder erstarrte Verbundwerkstückmaterial 74 wird von jedem der vom Schmelzmetallschweißbad 68 durchdrungenen Metallwerkstücke 12, 14 (oder 12, 150, 14) abgeleitet und seine Zusammensetzung (sowie die Zusammensetzung des zuvor erzeugten Schmelzmetallschweißbades 68) wird durch die Zusammensetzung der durchdrungenen Metallwerkstücke bestimmt. Das aus dem ersten Laserstrahl 24' erhaltene kollektive wieder erstarrte Verbundwerkstückmaterial 74 bildet die Laserschweißfügestelle 66, die sich ganz oder teilweise in den Werkstückstapel 10 erstrecken kann, je nachdem, ob das Schmelzmetallschweißbad 68 ganz oder teilweise in den Stapel 10 eingedrungen ist und von einer wärmebeeinflussten Zone (HAZ) umgeben sein kann. Die Laserschweißfügestelle 66 erstreckt sich somit in den Werkstückstapel 10 von der oberen Fläche 20 des Stapels 10 zur unteren Fläche 22, während sie die Stoßschnittstelle 34 (oder die erste und/oder zweite Stoßschnittstelle 162, 164) schneidet, um die betroffenen Metallwerkstücke 12, 14 (oder 12, 150, 14) autogen miteinander zu verschweißen.
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Die Laserschweißfügestelle 66 kann eine Vielzahl von Formen und Strukturen abhängig von der Geometrie des Strahlwegmusters annehmen, das vom ersten Laserstrahl 24' entlang der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 verfolgt wird. So kann beispielsweise, wie in 4 dargestellt, die Laserschweißfügestelle 66 als Laserpunktschweißfügestelle ausgebildet sein, die eine verfestigte Schweißlinse aus wieder erstarrtem Verbundwerkstückmaterial 74 ist, das durch Manövrieren des ersten Laserstrahls 24' entlang eines Strahlwegmusters, das aus einem spiralförmigen Schweißpfad oder einer Reihe von konzentrischen kreisförmigen oder elliptischen Schweißpfaden besteht, gebildet werden kann, so dass das Schmelzmetallschweißbad 68 im Wesentlichen zu einem größeren Schmelzebad wächst. In einem weiteren Beispiel, wie in 5 dargestellt, kann die Laserschweißfügestelle 66 als Lasernahtschweißfügestelle konstruiert werden, die eine Spur aus rückverfestigtem Verbundwerkstückmaterial 74 ist, die durch einen einzigen Durchgang des ersten Laserstrahls 24' in entweder einem linearen Schweißweg (wie dargestellt) oder einem nichtlinearen Schweißweg wie einem C-förmigen „Klammer“-Pfad oder einem einzelnen kreisförmigen oder elliptischen Schweißweg mit einem so großen Durchmesser gebildet wird, dass ein zentraler, nicht geschweißter Abschnitt innerhalb des kreisförmigen oder elliptischen Pfades aus rückverfestigtem Verbundwerkstückmaterial 74 existiert. Unabhängig von ihrer Form und Struktur weist die Laserschweißfügestelle 66 eine anfängliche obere Fläche 76 auf, die der oberen Fläche 20 des Werkstückstapels 10 benachbart ist, wie in der allgemeinen und repräsentativen Querschnittsansicht der Laserschweißfügestelle 66 in 6 dargestellt.
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Die anfängliche obere Fläche 76 der Laserschweißfügestelle 66 neigt zu einer etwas groben Tendenz, was zumindest teilweise auf die Turbulenzen im Schmelzmetallschweißbad 68 während des Laserschweißprozesses und die Tendenz zum Einfangen von Gasen im Schweißbad 68 zurückzuführen ist. Die anfängliche obere Fläche weist eine Flächenrauheit auf, die als mittlere oder arithmetische durchschnittliche Rauheit (Ra) gemessen wird, die in vielen Fällen, aber nicht unbedingt alle, im Bereich von 5 µm bis 10 µm liegt. Eine zu stark aufgeraute oder gestörte anfängliche obere Fläche 76 kann mehrere negative Auswirkungen auf das optische Erscheinungsbild und/oder die strukturelle Integrität der Laserschweißfügestelle 66 haben. Eine grobe anfängliche obere Fläche 76 der Laserschweißfügestelle 66 kann den Eindruck einer schlechten Fügestelle vermitteln, obwohl die Schweißfügestelle 66 tatsächlich strukturell und funktionell einwandfrei ist. Darüber hinaus kann eine grobe Anfangsfläche 76 rissanfällige Eigenspannungskonzentrationspunkte und insbesondere Spannungsrisskorrosionen erzeugen, wenn die Fügestelle 66 in einer korrosiven Umgebung einer Zugbelastung ausgesetzt wird. Darüber hinaus kann eine grobe anfängliche obere Fläche 76 der Laserschweißfügestelle 66 Dichtungsbänder beschädigen, die in späteren Fertigungsschritten über der Fügestelle 66 aufgebracht werden.
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Um die potenziell nachteiligen Auswirkungen einer groben anfänglichen oberen Fläche 76 der Laserschweißfügestelle 66 zu beheben, sieht das offenbarte Verfahren vor, dass die anfängliche obere Fläche 76 der Laserschweißfügestelle 66 mit einem zweiten Laserstrahl 24", der ebenfalls durch den optischen Abtastlaserkopf 42 auf den Stapel 10 gerichtet ist, beaufschlagt wird und dann der zweite Laserstrahl 24" und insbesondere sein Strahlpunkt 44 entlang der anfänglichen oberen Fläche 76 einen oberen Abschnitt 78 der Laserschweißfügestelle 66 schmilzt. Das Schmelzen des Oberteils 78 der Laserschweißfügestelle 66 durch den zweiten Laserstrahl 24" ist in 7 dargestellt. Der geschmolzene obere Abschnitt 78 der Laserschweißfügestelle 66 erstreckt sich teilweise in die Schweißfügestelle 66 und verbraucht die anfängliche obere Fläche 76 der Schweißfügestelle 66, d.h. mindestens 85 % der anfänglichen oberen Fläche 76 werden geschmolzen und vorzugsweise die gesamte anfängliche obere Fläche 76 wird geschmolzen, wobei akzeptable ungeschmolzene Abschnitte der anfänglichen oberen Fläche 76, wenn überhaupt, typischerweise auf periphere Randbereiche entlang der Schnittstelle zwischen der Schweißfügestelle 66 und dem umgebenden Werkstückaufbau 10 beschränkt sind. Die Größe und das Verhältnis des geschmolzenen oberen Abschnitts 78 der Laserschweißfügestelle 66 zum Rest der Fügestelle 66 kann je nach Größe, Form und Struktur der Fügestelle 66, wie ursprünglich geformt, variieren. In vielen Fällen jedoch stellt der obere Teil 78 der Laserschweißfügestelle 66, der durch den zweiten Laserstrahl 24" geschmolzen wird, zwischen 10 Vol.-% und 30 Vol.-% der Laserschweißfügestelle 66 dar.
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Der zweite Laserstrahl 24" kann entlang der anfänglichen oberen Fläche 76 der Laserschweißfügestelle 66 in einem Strahlwegmuster 80 bewegt werden, das mindestens den Bereich der anfänglichen oberen Fläche 76 abdeckt. Wenn beispielsweise die Laserschweißfügestelle 66 eine Laserpunkt-Schweißfügestelle ist, kann der Strahlpunkt 44 des zweiten Laserstrahls 24" entlang eines Strahlwandermusters 80 vorgeschoben werden, das auf die anfängliche obere Fläche 76 projiziert wird, die aus einem spiralförmigen Schweißpfad besteht, wie in 4 dargestellt, obwohl auch andere Strahlwandermuster, wie diejenigen, die eine Reihe von konzentrischen kreisförmigen oder elliptischen Schweißpfaden aufweisen, verwendet werden können. Als weiteres Beispiel, wenn die Laserschweißfügestelle 66 eine Lasernaht-Schweißfügestelle ist, kann der Strahlpunkt 44 des zweiten Laserstrahls 24" entlang eines Strahlwandermusters 80 vorgeschoben werden, das auf die anfängliche obere Fläche 76 projiziert wird, die aus einem einzigen kontinuierlichen sinusförmigen Schweißweg besteht, wie in 5 dargestellt, obwohl auch andere Strahlwandermuster, wie diejenigen, die einen Zickzack-Schweißweg oder einen Schleifenschweißweg aufweisen, verwendet werden können. Was die Eigenschaften des zweiten Laserstrahls 24" betrifft, so können sie sich von denen des ersten Laserstrahls 24" unterscheiden, da der zweite Laserstrahl 24" nur dazu bestimmt ist, die Laserschweißfügestelle 66 teilweise zu schmelzen. In vielen typischen Anwendungen kann der erste Laserstrahl 24" ein Leistungspegel von 2 kW bis 6 kW und eine Fokusposition von +10 mm bis -10 mm aufweisen, während er entlang seines Strahlverlaufs mit einer Fahrgeschwindigkeit von 2 m/min bis 50 m/min bewegt wird, während der zweite Laserstrahl 24" ein Leistungspegel von 1 kW bis 3 kW und eine Fokusposition von 0 mm bis -50 mm aufweisen kann, während er entlang seines Strahlverlaufsmusters 80 bei einer Fahrgeschwindigkeit von 50 m/min bis 130 m/min bewegt wird.
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Nachdem der obere Abschnitt 78 der Laserschweißfügestelle 66 geschmolzen ist, wird der zweite Laserstrahl 24" von der Laserschweißfügestelle 66 entfernt, damit der geschmolzene obere Abschnitt 78 wieder zu einer glänzenden Kappe 82 erstarrt, wie in 8 dargestellt. Das Entfernen des zweiten Laserstrahls 24" aus der Laserschweißfügestelle 66 kann das Anhalten der Übertragung des zweiten Laserstrahls 24 oder das einfache Bewegen des zweiten Laserstrahls 24" von und weg von der Laserschweißfügestelle 66 aufweisen. Wenn es erlaubt ist, aus einem kurzzeitigen geschmolzenen Zustand wieder in die glänzende Kappe 82 zu erstarren, setzt sich der obere Teil 78 der Laserschweißfügestelle 66 ab und die Flächenspannung des momentan vorhandenen geschmolzenen Metalls führt zu einer modifizierten oberen Fläche 84 der Laserschweißfügestelle 66, die glatter ist als die anfängliche obere Fläche 76, wie allgemein in 8 dargestellt. Die modifizierte obere Fläche 84 weist eine Flächenrauheit auf, die wie bisher als mittlere oder arithmetische durchschnittliche Rauheit (Ra) gemessen wird, die in vielen Fällen, aber nicht unbedingt allen, im Bereich von 0,5 µm bis 3 µm liegt. Die glattere modifizierte obere Fläche 84 hat nicht nur ein ästhetischeres Aussehen als die anfängliche obere Fläche 76 der Laserschweißfügestelle 66, sondern entfernt auch Eigenspannungskonzentrationspunkte, die zur Rissbildung und -ausbreitung neigen können, und macht die Fügestelle 66 weniger anfällig für Beschädigungen der aufgetragenen Dichtstreifen.
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Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und konkreten Beispiele hat lediglich beschreibenden Charakter; sie soll den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe sollte seine gewöhnliche und übliche Bedeutung haben, sofern in der Beschreibung nicht ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 2016/106914 [0038]
- CN 2016/102669 [0038]
- CN 2016/083112 [0038]
- CN 2015/094003 [0038]
- CN 2015/088569 [0038]
- CN 2015/088563 [0038]
