DE112017007174T5

DE112017007174T5 - GLÄTTUNGSVERFAHREN ZUR VERBESSERUNG DER OBERFLÄCHENQUALITÄT EINER SCHWEIßNAHT

Info

Publication number: DE112017007174T5
Application number: DE112017007174.7T
Authority: DE
Inventors: Wu Tao; David Yang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2019-11-21
Also published as: CN110582371B; CN110582371A; US20200101563A1; WO2018184131A1

Abstract

Ein Verfahren zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken (12, 14, 150) beinhaltet das Vorschieben eines Strahlpunkts (44) eines Laserstrahls (24) relativ zur Oberseite (20) des Werkstückstapels (10) entlang eines primären Strahlwegmusters (78), um einen Schmelzmetallabschnitt (70) innerhalb des Werkstückstapels zu erzeugen, und danach das Reduzieren einer Leistungsdichte des Laserstrahls und das Bewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche (82) des Schmelzmetallabschnitts entlang eines sekundären Strahlwegmusters (84), um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzubringen, so dass der Schmelzmetallabschnitt an einer vollständigen Verfestigung gehindert wird und mindestens ein oberer Bereich (86) des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird. Der Laserstrahl wird dann von dem Schmelzmetallabschnitt entfernt, damit sich der Schmelzmetallabschnitt zu einer Laserschweißverbindung (66) verfestigen kann. Die Laserschweißverbindung weist eine glatte Oberseite auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren zum Zusammenfügen von zwei oder mehr sich überlappenden Metallwerkstücken durch Laserschweißen und insbesondere auf ein Fügeverfahren, bei dem das Laserschweißen so durchgeführt wird, dass eine Laserschweißverbindung mit einer glatten Oberseite entsteht.
EINFÜHRUNG
Das Laserschweißen ist ein Metallfügeverfahren, bei dem ein Laserstrahl auf eine Anordnung aus gestapelten Metallwerkstücken gerichtet wird, um eine konzentrierte Wärmequelle bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Schweißverbindung zwischen den einzelnen Metallwerkstücken herzustellen. Im Allgemeinen werden komplementäre Flansche oder andere Verbindungsbereiche von zwei oder mehr Metallwerkstücken zunächst relativ zueinander so ausgerichtet, montiert und gestapelt, dass sich ihre Stossflächen überlappen und einander gegenüberliegen, um eine oder mehrere Stossschnittstellen herzustellen. Ein Laserstrahl wird dann auf eine zugängliche Oberseite 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 Metallwerkstücke ein und bildet ein Schmelzbad aus Metallschmelze innerhalb des Werkstückstapels. Das Schmelzbad aus Metallschmelze dringt in den Stapel ein und schneidet mindestens eine und in der Regel alle hergestellten Stossschnittstellen. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug ist, wird unter einem Strahlpunkt des Laserstrahls innerhalb des Schmelzbades aus Metallschmelze ein Schlüsselloch erzeugt. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, das von den Metallwerkstücken stammt, die Plasma beinhalten kann. Das Schlüsselloch ist ein effektiver Absorber der Energie des Laserstrahls und ermöglicht so ein tiefes und schmales Eindringen von geschmolzenem Werkstückmetall in den Stapel.
Das Schmelzbad aus Metallschmelze und, falls vorhanden, das Schlüsselloch werden in sehr kurzer Zeit erzeugt, sobald der Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels trifft. Nachdem die Metallwerkstücke zunächst geschmolzen sind, kann der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur Oberseite des Werkstückstapels vorgeschoben werden, was herkömmlich damit verbunden ist, den Laserstrahl entlang eines Strahlwegmusters mit einem relativ einfachen oder komplexen geometrischen Profil zu bewegen, das auf die Oberseite des Stapels projiziert wird. Während der Laserstrahl entlang der Oberseite des Stapels vorgeschoben wird, fließt geschmolzenes Werkstückmaterial aus dem Schmelzbad um den vorrückenden Strahlpunkt innerhalb des Werkstückstapels herum und dahinter. Die Übertragung des Laserstrahls auf die Oberseite des Werkstückstapels wird schließlich eingestellt, sobald der Laserstrahl das Verfolgen des Strahlwegmusters beendet hat, wobei das Schlüsselloch, falls vorhanden, zu diesem Zeitpunkt zusammenbricht und das innerhalb des Stapels entstandene eindringende geschmolzene Werkstückmaterial abkühlt und erstarrt. Das durch den Betrieb des Laserstrahls erhaltene kollektive wiederverfestigte Verbundwerkstückmaterial bildet eine Laserschweißverbindung, die die überlappenden Metallwerkstücke autogen verschweißt.
Viele Branchen nutzen das Laserschweißen als Teil ihrer Fertigungspraxis, darunter die Automobil-, Luftfahrt-, Schiffs-, Eisenbahn- und Bauindustrie. Das Laserschweißen ist ein attraktives Fügeverfahren, da es nur einen einseitigen Zugang erfordert, mit reduzierten Flanschbreiten praktiziert werden kann und innerhalb der Stapelanordnung zu einer relativ kleinen Wärmeeinflusszone führt, die den Wärmeverzug der Metallwerkstücke minimiert. So können beispielsweise in der Automobilindustrie bei der Herstellung der Rohkarosserie (BIW) mit dem Laserschweißen Metallwerkstücke sowie fertige Anbauteile, die vor dem Lackieren auf der BIW montiert werden, miteinander verbunden werden. Zu den speziellen Anwendungsfällen des Laserschweißens gehört die Konstruktion und Befestigung von tragenden Karosseriekonstruktionen innerhalb der BIW wie Schienenkonstruktionen, Wippen, A-, B- und C-Säulen sowie Unterbodenquerträger. Weitere spezielle Fälle, in denen das Laserschweißen auch eingesetzt werden kann, sind nichttragende Befestigungen innerhalb der BIW, wie z.B. die Befestigung eines Daches an einer Seitenwand, und die Verbindung von überlagerten Flanschen, wie sie bei der Konstruktion von Türen, Motorhaube und Kofferraum auftreten.
Die Praxis des Laserschweißens kann für bestimmte Arten von Metallwerkstücken Herausforderungen darstellen. Wenn es sich bei den im Werkstückstapel enthaltenen Metallwerkstücken beispielsweise um Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke handelt, können die beim Vorschub des Laserstrahls im geschmolzenen Werkstückmetall entstehende Turbulenz und die Tendenz zum Einschließen von Gasen in das geschmolzene Werkstückmaterial, die beim Abkühlen und Erstarren des geschmolzenen Werkstückmaterials zu Porositätsfehlern führt, zu einer gestörten und aufgerauhten Oberseite in der schließlich gebildeten Laserschweißverbindung führen. Eine raue Oberseite der Laserschweißverbindung gibt nicht nur den Anschein einer schlechten Schweißnaht, auch in Fällen, bei denen die Schweißnaht strukturell einwandfrei ist und zufriedenstellende mechanische Eigenschaften aufweist, sondern kann auch für Risse anfällige Restspannungskonzentrationspunkte und insbesondere Spannungsrisskorrosion erzeugen, wenn die Verbindung in einer korrosiven Umgebung einer Zugbelastung ausgesetzt ist. Eine raue Oberseite der Laserschweißverbindung kann auch Dichtungsstreifen beschädigen, die über der Verbindung angebracht werden können, wenn sich die Verbindung an einer Fahrzeugtür oder entlang einer Tür- oder Fensteröffnung der BIW befindet.
Das Auftreten einer rauen Oberseite einer Laserschweißverbindung ist besonders häufig, wenn die lasergeschweißten Metallwerkstücke aus Aluminium bestehen. Neben der hohen Löslichkeit von Wasserstoffgas in geschmolzenem Aluminium und der durch den Laserstrahl erzeugten Turbulenz hat geschmolzenes Aluminium eine relativ geringe Oberflächenspannung und das umgebende feste Aluminiummaterial eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Kombination dieser Eigenschaften von Aluminium trägt im Allgemeinen zur Tendenz bei, dass sich eine raue Oberseite in der Laserschweißverbindung materialisiert, da es oft nicht genügend Zeit gibt, damit sich die Oberfläche von geschmolzenem Aluminium auf natürliche Weise setzen und abflachen kann, da das geschmolzene Aluminium schnell abkühlt und erstarrt, insbesondere wenn das geschmolzene Aluminium durch das Vorschieben des Laserstrahls entlang seines vordefinierten Strahlwegmusters aufgerührt wird. Eine ähnliche Dynamik kann auftreten, wenn die lasergeschweißten Metallwerkstücke aus Magnesium bestehen. Diese Offenbarung beschreibt ein Verfahren zum Fügen von Metallwerkstücken auf eine Weise, die sicherstellt, dass die resultierende Laserschweißverbindung eine glatte Oberseite aufweist, unabhängig davon, ob der Werkstückstapel Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke umfasst.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken durch Laserschweißen kann mehrere Schritte umfassen. Als erstes kann ein Werkstückstapel zusammengestellt werden, der zwei oder mehr Metallwerkstücke beinhaltet, die sich überlappen, um eine Schweißzone zu definieren. Die Schweißzone des Werkstückstapels weist eine Ober- und eine Unterseite auf und bildet weiterhin eine Stossschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Metallwerkstücke, die im Werkstückstapel enthalten sind. Zweitens wird ein Strahlpunkt eines Laserstrahls relativ zur Oberseite des Werkstückstapels entlang eines primären Strahlwegmusters vorgeschoben, um einen Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen, der von der Oberseite des Stapels aus zur Unterseite des Stapels hin in den Werkstückstapel eindringt und die mindestens eine Stossschnittstelle zwischen der Oberseite und der Unterseite des Werkstückstapels schneidet. Drittens wird eine Leistungsdichte des Laserstrahls nach der Erzeugung des Schmelzmetallabschnitts reduziert und der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang eines sekundären Strahlwegmusters bewegt. Eine solche Bewegung des Laserstrahls leitet Wärme in den Schmelzmetallabschnitt ein, so dass der Schmelzmetallabschnitt an einer vollständigen Verfestigung gehindert wird und mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird. Und viertens wird der Laserstrahl schließlich von dem Schmelzmetallabschnitt entfernt, damit sich der Schmelzmetallabschnitt zu einer Laserschweißverbindung verfestigen kann, die aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial besteht, das von jedem der von dem Schmelzmetallabschnitt durchdrungenen Metallwerkstücke stammt.
Der Werkstückstapel des Verfahrens dieser besonderen Ausführungsform kann zwei oder drei sich überlappende Metallwerkstücke beinhalten. 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 sich überlappenden Metallwerkstücke ein Aluminiumwerkstück oder jedes der sich überlappenden Metallwerkstücke ist ein Magnesiumwerkstück. Darüber hinaus kann die im Werkstückstapel gebildete Laserschweißverbindung eine Laserpunktschweißverbindung oder eine Laserschweißnahtverbindung sein, unabhängig von der Anzahl der sich überlappenden Metallwerkstücke, die im Werkstückstapel enthalten sind, oder der Zusammensetzung dieser Metallwerkstücke. Und unabhängig davon, ob es sich bei der Laserschweißverbindung um eine Punktschweißverbindung oder eine Nahtschweißverbindung oder eine andere Art von Verbindung handelt, kann sie eine Oberseite aufweisen, die angrenzend an die Oberseite des Werkstückstapels angeordnet ist und aufgrund ihrer Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 12,5 µm bis 0,4 µm als glatt gilt.
Der während der Praxis dieser Ausführungsform des offenbarten Verfahrens verwendete Laserstrahl kann ein Festkörperlaserstrahl sein. Ein solcher Laserstrahl kann durch eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne in Bezug auf die Oberseite des Werkstückstapels entlang des primären Strahlwegmusters vorgeschoben werden (um den Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen) und anschließend in Bezug auf die Oberseite des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters bewegt werden (um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzuführen). Dabei kann beispielsweise der Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des Werkstücks entlang des primären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 1 m/min bis 120 m/min vorgeschoben werden, während ein Leistungsniveau des Laserstrahls im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und eine Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -20 mm und +20 mm liegt. Und danach kann der Laserstrahl relativ zur Oberseite des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 10 m/min bis 120 m/min bewegt werden, während ein Leistungsniveau des Laserstrahls im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und eine Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -50 mm und -10 mm oder zwischen +10 mm und +50 mm liegt.
Andere Aspekte der vorgenannten Ausführungsform des offenbarten Verfahrens können ebenfalls weiter definiert werden. So kann beispielsweise der Akt der Reduzierung der Leistungsdichte des Laserstrahls das Defokussieren des Laserstrahls zur Erhöhung der Brennweite des Laserstrahls, das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls oder das Defokussieren des Laserstrahls zur Erhöhung der Brennweite des Laserstrahls sowie das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls umfassen. Zusätzlich kann die Erzeugung des Schmelzmetallabschnitts im Schlüsselloch-Schweißmodus durchgeführt werden, obwohl der Wärmeleitungs-Schweißmodus unter bestimmten oder allen Bedingungen dennoch geeignet sein kann. Dabei wird ein Schlüsselloch unter dem Strahlpunkt des Laserstrahls erzeugt. Das Schlüsselloch ist von dem Schmelzbad aus Metallschmelze umgeben. Somit wird das Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels beim Vorrücken des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang des primären Strahlwegmusters verschoben.
Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken durch Laserschweißen kann mehrere Schritte umfassen. Zuerst wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der zwei oder mehr Metallwerkstücke beinhaltet, die sich zur Definition einer Schweißzone überlappen. Die Schweißzone des Werkstückstapels weist eine Ober- und eine Unterseite auf und bildet weiterhin eine Stossschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Metallwerkstücke, die im Werkstückstapel enthalten sind. Alle zwei oder mehr Metallwerkstücke im Werkstückstapel sind Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke. Zweitens wird ein Laserstrahl, der eine Leistungsdichte aufweist, auf die Oberseite des Werkstückstapels gerichtet, um ein Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels zu erzeugen, das von einem Schmelzbad aus Metallschmelze umgeben ist. Drittens wird ein Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur Oberseite des Werkstückstapels entlang eines primären Strahlwegmusters vorgeschoben, um einen Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen, der von der Oberseite des Stapels aus zur Unterseite des Stapels hin in den Werkstückstapel eindringt und die mindestens eine Stossschnittstelle zwischen der Oberseite und der Unterseite des Werkstückstapels schneidet. Während des Vorschiebens entlang des primären Strahlwegmusters reicht die Leistungsdichte des Laserstrahls von 0,7 MW/cm² bis 4 MW/cm². Viertens wird die Leistungsdichte des Laserstrahls nach der Erzeugung des Schmelzmetallabschnitts auf zwischen 0,01 MW/cm² und 0,5 MW/cm² reduziert. Fünftens wird der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang eines sekundären Strahlwegmusters bewegt. Eine solche Bewegung des Laserstrahls leitet Wärme in den Schmelzmetallabschnitt ein, so dass der Schmelzmetallabschnitt an einer vollständigen Verfestigung gehindert wird und mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird. Und sechstens wird die Übertragung des Laserstrahls eingestellt, damit sich der Schmelzmetallabschnitt vollständig zu einer Laserschweißverbindung verfestigen kann, die aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial besteht, das von jedem der von dem Schmelzmetallabschnitt durchdrungenen Metallwerkstücke stammt.
Die vorgenannte Ausführungsform des offenbarten Verfahrens kann weiter definiert werden. Der Werkstückstapel kann beispielsweise zwei oder drei sich überlappende Metallwerkstücke beinhalten, die alle Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sind. In einer weiteren Implementierung kann die Oberseite der Laserschweißverbindung, die sich angrenzend an die Oberseite des Werkstückstapels befindet, eine Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 12,5 µm bis 0,4 µm aufweisen, obwohl es durchaus Situationen geben kann, in denen die Oberflächenrauheitsmessungen der Oberseite der Laserschweißverbindung außerhalb dieser Bereiche liegen. Noch weiter kann der Akt der Reduzierung der Leistungsdichte des Laserstrahls das Defokussieren des Laserstrahls zur Vergrößerung einer Brennweite des Laserstrahls, das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls oder das Defokussieren des Laserstrahls zur Vergrößerung einer Brennweite des Laserstrahls und das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls umfassen.
Der während der Praxis dieser Ausführungsform des offenbarten Verfahrens verwendete Laserstrahl kann ein Festkörperlaserstrahl sein. Ein solcher Laserstrahl kann durch eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne in Bezug auf die Oberseite des Werkstückstapels entlang des primären Strahlwegmusters vorgeschoben (um den Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen) und anschließend in Bezug auf die Oberseite des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters (um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzuleiten) bewegt werden. Dabei kann beispielsweise der Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des Werkstücks entlang des primären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 1 m/min bis 120 m/min vorgeschoben werden, während ein Leistungsniveau des Laserstrahls im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und eine Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -20 mm und +20 mm liegt. Und danach kann der Laserstrahl relativ zur Oberseite des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 10 m/min bis 120 m/min bewegt werden, während ein Leistungsniveau des Laserstrahls im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und eine Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -50 mm und -10 mm oder zwischen +10 mm und +50 mm liegt.
Noch eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken kann mehrere Schritte umfassen. Zuerst wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der zwei oder mehr Metallwerkstücke beinhaltet, die sich zur Definition einer Schweißzone überlappen. Die Schweißzone des Werkstückstapels weist eine Ober- und eine Unterseite auf und bildet weiterhin eine Stossschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Metallwerkstücke, die im Stapel enthalten sind. Alle zwei oder mehr Metallwerkstücke im Werkstückstapel sind Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke. Zweitens wird ein optischer Laserabtastkopf einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben, um einen Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels zu richten und um zusätzlich einen Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur Oberseite des Stapels innerhalb der Schweißzone entlang eines primären Strahlwegmusters vorzuschieben, um ein Schlüsselloch entlang einer entsprechenden Strecke innerhalb des Werkstückstapels zu verschieben. Ein solches Vorschieben des Strahlpunkts des Laserstrahls erzeugt einen Schmelzmetallabschnitt, der in den Werkstückstapel eindringt und jede Stossschnittstelle zwischen der Ober- und Unterseite des Werkstückstapels schneidet. Drittens wird der optische Laserabtastkopf der Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben, um eine Leistungsdichte des Laserstrahls zu reduzieren und den Strahlpunkt des Laserstrahls entlang eines oberen Abschnitts des Schmelzmetallabschnitts entlang eines sekundären Strahlwegmusters weiter zu bewegen, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzuleiten, so dass mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird. Und viertens wird der Laserstrahl von dem Schmelzmetallabschnitt entfernt, damit der Schmelzmetallabschnitt zu eine Schweißverbindung erstarren kann, die die zwei oder drei Metallwerkstücke miteinander verschweißt. Die Laserschweißverbindung weist eine glatte Oberseite auf, die an die Oberseite des Werkstückstapels angrenzt und die eine Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 12,5 µm bis 0,4 µm aufweist.
Andere Aspekte der vorgenannten Ausführungsform des offenbarten Verfahrens können ebenfalls weiter definiert werden. So kann beispielsweise der Akt der Reduzierung der Leistungsdichte des Laserstrahls das Defokussieren des Laserstrahls zur Erhöhung der Brennweite des Laserstrahls, das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls oder das Defokussieren des Laserstrahls zur Erhöhung der Brennweite des Laserstrahls und das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls umfassen. Als weiteres Beispiel kann die Bewegung des Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des Schmelzmetallabschnitts und entlang des sekundären Strahlwegmusters innerhalb vorgegebener Bereiche bestimmter Strahlparameter durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang kann der Laserstrahl relativ zur Oberseite des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 10 m/min bis 120 m/min bewegt werden, während ein Leistungsniveau des Laserstrahls im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und eine Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -50 mm und -10 mm oder zwischen +10 mm und +50 mm liegt.
Figurenliste

1 ist eine allgemeine Darstellung eines Werkstückstapels, der sich überlappende Metallwerkstücke beinhaltet, zusammen mit einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne, die das offenbarte Verfahren zum Zusammenfügen der sich überlappenden Metallwerkstücke durchführen kann;
2 ist eine vergrößerte repräsentative Ansicht des in 1 dargestellten Laserstrahls, die einen Brennpunkt und eine Längsachse des Laserstrahls zeigt, der in einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens eingesetzt wird;
3 ist eine vergrößerte Draufsicht eines in 1 dargestellten Werkstückstapels während der Erzeugung eines Schmelzmetallabschnitts innerhalb des Stapels gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung, bei dem ein Laserstrahl auf den Werkstückstapel gerichtet wird und relativ zu einer Oberseite des Stapels entlang eines primären Strahlwegmusters durch einen optischen Laserabtastkopf einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne vorgeschoben wird;
4 ist eine Querschnittsteilansicht des in 3 dargestellten Werkstückstapels während der Erzeugung eines Schmelzmetallabschnitts innerhalb des Stapels gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine verallgemeinerte Querschnittsansicht des Werkstückstapels einschließlich des Schmelzmetallabschnitts, der durch Vorschieben des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zur Oberseite des Werkstückstapels entlang eines primären Strahlwegmusters erzeugt wurde;
6 ist eine Querschnittsteilansicht einer weiteren Ausführungsform des in 1 dargestellten Werkstückstapels während der Erzeugung eines Schmelzmetallabschnitts innerhalb des Stapels, der aus der gleichen Perspektive wie 4 betrachtet wird, obwohl in dieser Abbildung der Werkstückstapel drei sich überlappende Metallwerkstücke anstelle von zwei, wie in 4 dargestellt, beinhaltet;
7 ist eine verallgemeinerte Querschnittsansicht des zuvor erzeugten Schmelzmetallabschnitts zusammen mit dem Laserstrahl, der nach Verringerung seiner Leistungsdichte relativ zur Oberseite des Schmelzmetallabschnitts bewegt wird, um eine vollständige Verfestigung des Schmelzmetallabschnitts zu verhindern und mindestens einen oberen Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die Oberseite beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand zu halten;
8 ist eine erhöhte perspektivische Ansicht eines Werkstückstapels, der einen durch den Laserstrahl gebildeten Schmelzmetallabschnitt innerhalb sich überlappender Metallwerkstücke zusammen mit einer Projektion eines sekundären Strahlwegmusters zeigt, dem der Laserstrahl gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung folgen kann, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzubringen, so dass der Schmelzmetallabschnitt an einer vollständigen Verfestigung gehindert wird und mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird, und wobei das hier dargestellte sekundäre Strahlwegmuster aus einem einzigen kontinuierlichen sinusförmigen Schweißpfad besteht;
9 ist eine erhöhte perspektivische Ansicht eines Werkstückstapels, der einen durch den Laserstrahl gebildeten Schmelzmetallabschnitt innerhalb sich überlappender Metallwerkstücke zusammen mit einer Projektion eines sekundären Strahlwegmusters zeigt, dem der Laserstrahl gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung folgen kann, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzubringen, so dass der Schmelzmetallabschnitt an einer vollständigen Verfestigung gehindert wird und mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird, und wobei das hier gezeigte Strahlwegmuster aus einem einzigen spiralförmigen Schweißpfad besteht; und
10 ist eine verallgemeinerte Querschnittsansicht einer Laserschweißverbindung, nachdem der Schmelzmetallabschnitt nach dem Entfernen des Laserstrahls von dem Schmelzmetallabschnitt erstarren durfte.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zum Zusammenfügen von zwei oder mehreren gestapelten Metallwerkstücken durch Laserschweißen beinhaltet zuerst das Erzeugen eines Schmelzmetallabschnitts innerhalb des Werkstückstapels durch Richten eines Laserstrahls auf eine Oberseite des Stapels und dann das Vorschieben eines Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zur Oberseite entlang eines primären Strahlwegmusters. Der Schmelzmetallabschnitt kann daher je nach Geometrie des primären Strahlwegmusters und seiner projizierten Größe auf die obere Oberfläche eine Vielzahl von Formen und Größen annehmen, und er dringt im Allgemeinen von der Oberseite des Stapels aus zur Unterseite des Stapels hin in den Werkstückstapel ein und schneidet mindestens eine Stossschnittstelle. Nachdem der Schmelzmetallabschnitt gebildet wurde, wird die Leistungsdichte des Laserstrahls reduziert und der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche des Schmelzmetallmaterials entlang eines sekundären Strahlwegmusters bewegt, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzubringen und eine vollständige Verfestigung zu verhindern. Auf diese Weise wird mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts beinhaltet, über einen längeren Zeitraum in einem geschmolzenen Zustand gehalten. Schließlich wird der Laserstrahl von dem Schmelzmetallabschnitt entfernt, damit sich der Schmelzmetallabschnitt zu einer Laserschweißverbindung verfestigen kann.
Es wird angenommen, dass das Halten mindestens des oberen Bereichs des Schmelzmetallabschnitts - und vorzugsweise des gesamten Schmelzmetallabschnitts - in einem geschmolzenen Zustand über einen längeren Zeitraum, anstatt ihn nach der Herstellung schnell abkühlen und erstarren zu lassen, zu einer zufriedenstellenderen Schweißverbindungsstruktur beiträgt. Tatsächlich kann durch die Verwendung des Laserstrahls mit einer reduzierten Leistungsdichte, um mindestens den oberen Bereich des geschmolzenen Abschnitts in einem geschmolzenen Zustand zu halten und so die vollständige Verfestigung des Schmelzmetallabschnitts zu verzögern, genügend Zeit zur Verfügung gestellt werden, damit sich die obere Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts setzen und mit Hilfe der inhärenten Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls abflachen kann. Das Ergebnis einer solchen Praxis ist eine Laserschweißverbindung mit einer Oberseite, die im Wesentlichen die freiliegende Oberfläche der Laserschweißverbindung ist, die angrenzend an eine Oberseite des Werkstückstapels angeordnet ist und die glatt ist. In vielen Fällen weist die glatte Oberseite der Laserschweißverbindung eine Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 12,5 µm bis 0,4 µm auf. Durch Bereitstellen der Laserschweißverbindung mit einer glatten Oberseite werden Restspannungskonzentrationspunkte, die zu Rissbildung und -ausbreitung neigen können, entfernt und die Laserschweißverbindung ist weniger anfällig für Beschädigungen von Dichtstreifen, die in unmittelbarer Nähe der Verbindung aufgebracht werden können. Die glatte Oberseite verleiht der Laserschweißverbindung zudem ein ästhetischeres Aussehen.
Die Bildung der Laserschweißverbindung mit ihrer glatten Oberseite kann durch jede Art von Laserschweißvorrichtung, wie z.B. eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne oder eine herkömmliche Laserschweißvorrichtung, wie z.B. eine Vorrichtung, bei der ein fester Laserkopf von einer Hochgeschwindigkeits-CNC-Maschine getragen wird, erfolgen. Der Laserstrahl, der zum Bilden der Laserschweißverbindung nach der Praxis des Offenlegungsverfahrens verwendet wird, kann ein Festkörperlaserstrahl oder ein Gaslaserstrahl in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu verbindenden Metallwerkstücke und dem gewünschten Laserschweißmodus (Wärmeleitungs-Schweißmodus oder Schlüsselloch-Schweißmodus) sein. Einige erwähnenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein direkter Diodenlaser und ein Nd:YAG-Laser, und ein erwähnenswerter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO₂-Laser, obwohl andere Lasertypen sicherlich verwendet werden können. In einer bevorzugten Implementierung des offenbarten Verfahrens, das im Folgenden näher beschrieben wird, wird eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne verwendet, um die Laserschweißverbindung mit ihrer glatten Oberseite zu bilden, einschließlich der Schritte, den Schmelzmetallabschnitt innerhalb des Werkstückstapels zu erzeugen und anschließend die vollständige Verfestigung des Schmelzmetallabschnitts zu verhindern, sodass die Oberseite des Schmelzmetallabschnitts Zeit zum Setzen und Abflachen hat.
Das offenbarte Verfahren zum Zusammenfügen von zwei oder mehreren Metallwerkstücken durch Laserschweißen kann an einer Vielzahl von Werkstückstapelkonfigurationen durchgeführt werden. So kann beispielsweise das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einem „2T“-Werkstückstapel (1 und 4-5) verwendet werden, der zwei sich überlappende Metallwerkstücke beinhaltet, oder es kann in Verbindung mit einem „3T“-Werkstückstapel (6) verwendet werden, der drei sich überlappende Metallwerkstücke beinhaltet. Darüber hinaus kann das offenbarte Verfahren in einigen Fällen in Verbindung mit einem „4T“-Werkstückstapel (nicht dargestellt) verwendet werden, der vier sich überlappende Metallwerkstücke beinhaltet. Die zwei oder mehr Metallwerkstücke, 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 sich überlappende Metallwerkstücke oder mehr als zwei sich überlappende Metallwerkstücke beinhaltet. Unterschiede in der Konfiguration des Werkstückstapels können durch die Anpassung der Eigenschaften des Betriebslaserstrahls leicht ausgeglichen werden.
Unter nunmehr allgemeiner Bezugnahme auf 1 ist ein Werkstückstapel 10 dargestellt, wobei der Stapel 10 mindestens ein erstes Metallwerkstück 12 und ein zweites Metallwerkstück 14 beinhaltet, die sich zur Definition einer Schweißzone 16 überlappen. Eine Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne, die das offenbarte Verfahren durchführen kann, ist ebenfalls dargestellt. Innerhalb der Grenzen der Schweißzone 16 bilden die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 jeweils eine Oberseite 20 und eine Unterseite 22 des Werkstückstapels 10. Die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 wird der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zur Verfügung gestellt und ist für einen Laserstrahl 24 zugänglich, der aus der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne austritt. Und da für das Laserschweißen nur einseitiger Zugang erforderlich ist, entfällt die Notwendigkeit, die Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 in gleicher Weise zugänglich zu machen. Die hierin verwendeten Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ sind relative Bezeichnungen, die die Oberfläche des Stapels 10 (Oberseite), die näher an der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne liegt und dieser zugewandt ist, und die Oberfläche des Stapels 10 (Unterseite), die in die entgegengesetzte Richtung zeigt, identifizieren.
Der Werkstückstapel 10 kann nur die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 beinhalten, wie in 1 und 4-5 dargestellt. Unter diesen Umständen und wie in 4 am besten dargestellt, beinhaltet das erste Metallwerkstück 12 eine äußere Außenfläche 26 und eine erste Stossfläche 28, und das zweite Metallwerkstück 14 beinhaltet eine äußere Außenfläche 30 und eine zweite Stoßfläche 32. Die äußere Außenfläche 26 des ersten Metallwerkstücks 12 bildet die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 und die äußere Außenfläche 30 des zweiten Metallwerkstücks 14 bildet die entgegengesetzt ausgerichtete Unterseite 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 der Schweißzone 16 und liegen einander gegenüber, um eine Stossschnittstelle 34 herzustellen. In weiteren Ausführungsformen, von denen eine im Folgenden in Verbindung mit 6 beschrieben wird, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches drittes Metallwerkstück beinhalten, das zwischen dem ersten und zweiten Metallwerkstück 12, 14 angeordnet ist, um den Stapel 10 mit drei statt zwei Metallwerkstücken bereitzustellen.
Der Begriff „Stossschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung allgemein verwendet und soll ein breites Spektrum von sich überlappenden Beziehungen zwischen den einander 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 weisen somit nicht die Art von anliegenden Schnittstellen auf, die für den direkten Kontakt typisch sind -, befinden sich jedoch in einer Nähe, die ausreicht, damit das Laserschweißen ausgeführt werden kann. 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 hergestellt werden. Die vorstehenden Merkmale halten intermittierende Kontaktpunkte zwischen den Stossflächen 28, 32 aufrecht, die die Flächen 28, 32 außerhalb der und um die Kontaktpunkte herum um bis zu 1,0 mm auseinander halten.
Unter Bezugnahme noch auf 4 beinhaltet das erste Metallwerkstück 12 ein erstes Basismetallsubstrat 36 und das zweite Metallwerkstück 14 beinhaltet ein zweites Basismetallsubstrat 38. 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 Oberflächenbeschichtung 40 beinhalten. Die Oberflächenbeschichtung(en) 40 können auf einem oder beiden der Basismetallsubstrate 36, 38 aus verschiedenen Gründen, unter anderem zum Korrosionsschutz, zur Festigkeitssteigerung und/oder zur Verbesserung der Verarbeitung, verwendet werden, und die Zusammensetzung der Beschichtung(en) 40 basiert weitgehend auf der Zusammensetzung der zugrunde liegenden Basismetallsubstrate 36, 38. Unter Berücksichtigung der Dicke der Basismetallsubstrate 36, 38 und ihrer optionalen Oberflächenbeschichtungen 40 liegen sowohl eine Dicke 121 des ersten Metallwerkstücks 12 als auch eine Dicke 141 des zweiten Metallwerkstücks 14 vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 6,0 mm, zumindest innerhalb der Schweißzone 16. Die Dicken 121, 141 des ersten und zweiten Metallwerkstücks 12, 14 können gleich oder unterschiedlich sein.
Jedes der ersten und zweiten Basismetallsubstrate 36, 38 kann mit einer Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet sein, wie hier in 3 dargestellt. Die Oberflächenbeschichtungen 40 wiederum stellen für die Metallwerkstücke 12, 14 ihre jeweiligen Außenflächen 26, 30 und ihre jeweiligen Stossflächen 28, 32 bereit. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet nur das erste Basismetallsubstrat 36 eine Oberflächenbeschichtung 40, während das zweite Metallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist. Unter diesen Umständen stellt die Oberflächenbeschichtung 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 bereitstellt. In noch einer weiteren Ausführungsform beinhaltet nur das zweite Basismetallsubstrat 38 die Oberflächenbeschichtung 40, während das erste Basismetallsubstrat 36 unbeschichtet oder blank ist. Folglich stellt in diesem Fall das erste Basismetallsubstrat 36 für das erste Metallwerkstück 12 seine äußeren Außen- und Stossflächen 26, 28 bereit, während die Oberflächenbeschichtung 40, die das zweite Basismetallsubstrat 38 bedeckt, für das zweite Metallwerkstück 14 seine äußeren Außen- und Stossflächen 30, 32 bereitstellt.
Die Basismetallsubstrate 36, 38 können eine Vielzahl von Metallformen und -zusammensetzungen annehmen, die zu den breit gefassten 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 Stahls (Baustahl), eines Stahls ohne eingelagerte Legierungsbestandteile (IF-Stahl), eines Bake-Hardening Stahls, eines hochfesten niedriglegierten Stahls (HSLA-Stahl), eines zweiphasigen Stahls (DP-Stahl), eines komplexphasigen Stahls (CP-Stahl), eines martensitischen Stahls (MART-Stahl), eines Stahls mit umwandlungsbewirkter Plastizität (TRIP-Stahl), eines Stahls mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl) und eines Borstahls, etwa wenn das/die Stahlwerkstück(e) 12, 14 pressgehärteten Stahl (PHS) beinhalten. Darüber hinaus kann jedes der ersten und zweiten Stahlbasissubstrate 36, 38 behandelt worden sein, um einen bestimmten Satz mechanischer Eigenschaften zu erhalten, einschließlich der Wärmebehandlungsprozesse wie Glühen, Vergüten und/oder Anlassen. Die ersten und zweiten Stahlbasissubstrate 36, 38 können warm oder kalt auf ihre Enddicke gewalzt sein und können vorgefertigt sein, um ein spezielles Profil zu erhalten, das für die Montage in den Werkstückstapel 10 geeignet ist.
Die auf einem oder beiden der Stahlbasissubstrate 36, 38 vorhandene Oberflächenbeschichtung 40 besteht vorzugsweise aus einem zinkbasierten Material oder einem aluminiumbasierten Material. 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 durchschnittliche Massenzusammensetzung, die 8 % bis 12 % Gewichtsanteil Eisen und 0,5 % bis 4 % Gewichtsanteil Aluminium beinhaltet, wobei der Rest (in % Gewichtsanteil) 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) verwendet 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 erreichten Beschichtung(en) verwendet werden können. Unter Berücksichtigung der Dicken der Stahlbasissubstrate 36, 38 und ihrer Oberflächenbeschichtung(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 gefasst von 0,5 mm bis 2,0 mm, zumindest innerhalb der Schweißzone 16.
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 % Gewichtsanteil Aluminium beinhaltet, bestehen. Einige erwähnenswerte Aluminiumlegierungen, die die ersten und/oder zweiten Aluminiumbasissubstrate 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 Aluminiumbasissubstrate 36, 38 separat in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt sein. So kann beispielsweise jedes der Aluminiumbasissubstrate 36, 38 aus einer Schicht aus Aluminium-Knetlegierungsblech der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx, einem extrudierten, geschmiedeten oder einem anderen bearbeiteten Gegenstand oder einem Aluminiumlegierungsguss der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, die als erste und/oder zweite Aluminiumbasissubstrate 36, 38 verwendet werden können, sind eine AA5182 und AA5754 Aluminium-Magnesium-Legierung, eine AA6011 und AA6022 Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung, eine AA7003 und AA7055 Aluminium-Zink-Legierung und eine Al-10Si-Mg Aluminium-Druckgusslegierung. Die ersten und/oder zweiten Aluminiumbasissubstrate 36, 38 können in einer Vielzahl von Zuständen eingesetzt werden, einschließlich geglüht (0), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T).
Die Oberflächenbeschichtung 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 vom Aluminiumbasissubstrat 36, 38 der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Beschichtung aus Zink oder Zinn sein, oder sie kann eine Metalloxidumwandlungsbeschichtung aus Oxiden von Titan, Zirkonium, Chrom oder Silizium sein, wie in der US-Patentanmeldung Nr. US2014/0360986 offenbart ist. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt je nach Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Art und Weise, wie die Beschichtung 40 abgeleitet ist, zwischen 1 nm und 10 µm, obwohl 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 Oberflächenbeschichtung(en) 40, falls vorhanden, liegt die Gesamtdicke jedes der ersten und zweiten Aluminiumwerkstücke 12, 14 vorzugsweise im Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest innerhalb der Schweißzone 16.
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 bestehen, die mindestens 85 % Gewichtsanteil Magnesium beinhaltet. Einige erwähnenswerte Magnesiumlegierungen, die die ersten und/oder zweiten Magnesiumbasissubstrate 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-Seltenerden-Legierung. Zusätzlich kann jedes der Magnesiumbasissubstrate 36, 38 separat in geschmiedeter (plattiert, extrudiert, geschmiedet oder anders bearbeiteter Gegenstand) oder gegossener Form bereitgestellt werden. Einige spezielle Beispiele für Magnesiumlegierungen, die als erste und/oder zweite Magnesiumbasissubstrate 36, 38 verwendet werden können, sind unter anderem eine AZ91D-Druckguss oder -Magnesiumknetlegierung (extrudiert oder plattiert), eine AZ31 B-Druckguss- oder extrudierte (extrudiert oder plattiert) Magnesiumlegierung und eine AM60B-Magnesiumdruckgusslegierung. Die ersten und/oder zweiten Magnesiumbasissubstrate 36, 38 können in einer Vielzahl von Zuständen eingesetzt werden, einschließlich geglüht (0), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (W).
Die Oberflächenbeschichtung 40, die auf einem oder beiden der Magnesiumbasissubstrate 36, 38 vorhanden ist, kann eine native feuerfeste Oxidbeschichtung aus Magnesiumoxidverbindungen (und möglicherweise Magnesiumhydroxidverbindungen) sein, die sich passiv bildet, wenn frisches Magnesium aus dem Magnesiumbasissubstrat 36, 38 der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Umwandlungsschicht aus Metalloxiden, Metallphosphaten oder Metallchromaten sein. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt je nach Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Art und Weise, wie die Beschichtung 40 abgeleitet ist, zwischen 1 nm und 10 µm, obwohl 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 Magnesiumbasissubstrate 36, 38 und ihrer Oberflächenbeschichtung(en) 40, falls vorhanden, liegt die Gesamtdicke der ersten und zweiten Magnesiumwerkstücke 12, 14 jeweils vorzugsweise im Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm, zumindest innerhalb der Schweißzone 16.
1 und 4-5 veranschaulichen eine Ausführungsform des Werkstückstapels 10, der zwei sich überlappende Metallwerkstücke 12, 14 beinhaltet, die eine einzige Stossschnittstelle 34 herstellen. Natürlich kann, wie in 6 dargestellt, der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches drittes Metallwerkstück 150 mit einer Dicke 151 beinhalten, das sich zwischen den ersten und zweiten Metallwerkstücken 12, 14 befindet. Das dritte Metallwerkstück 150, falls vorhanden, beinhaltet ein drittes Basismetallsubstrat 152, das blank oder mit einer Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet sein kann (wie dargestellt). 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 Oberflächenbeschichtungen und die Werkstückdicken) vollständig für das dritte Metallwerkstück 150. Die Schweißzone 16 in dieser Ausführungsform des Werkstückstapels 10 ist nun durch den Umfang der gemeinsamen Überlappung aller ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücke 12, 14, 150 definiert.
Durch das überlappende Stapeln der ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücke 12, 14, 150 zum Bereitstellen des Werkstückstapels 10 weist das dritte Metallwerkstück 150 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 der Schweißzone 16 bilden die sich gegenüberliegenden ersten und dritten Stossflächen 28, 156 der ersten und dritten Metallwerkstücke 12, 150 eine erste Stossschnittstelle 160, und die sich gegenüberliegenden zweiten und vierten Stossflächen 32, 158 der zweiten und dritten Metallwerkstücke 14, 150 bilden eine zweite Stossschnittstelle 162. Diese Stossschnittstellen 160, 162 sind vom gleichen Typ und umfassen die gleichen Attribute wie die oben in Bezug auf 1 und 3 beschriebene Stossschnittstelle 34. Folglich sind in dieser Ausführungsform die äußeren Außenflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 noch gegenläufig voneinander abgewandt und bilden die Ober- und Unterseiten 20, 22 des Werkstückstapels 10.
Wieder unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 42. Im Allgemeinen richtet der optische Laserabtastkopf 42 die Übertragung des Laserstrahls 24 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 (auch die äußere Außenfläche 26 des ersten Metallwerkstücks 12). Der gerichtete Laserstrahl 24 weist einen Strahlpunkt 44 auf, der, wie in 2 dargestellt, die Schnittfläche des Laserstrahls 24 mit einer Ebene ist, die entlang der Oberseite 20 des Stapels 10 ausgerichtet ist. Der optische Laserabtastkopf 42 wird vorzugsweise an einem Roboterarm (nicht dargestellt) montiert, der den Laserkopf 42 schnell und präzise zu vielen verschiedenen vorgewählten Stellen über den Werkstückstapel 10 hinweg in schneller programmierter Folge tragen kann. Der Laserstrahl 24, der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 42 verwendet wird, ist vorzugsweise ein Festkörperlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich (allgemein als 700 nm bis 1400 nm verstanden) des elektromagnetischen Spektrums arbeitet. Darüber hinaus verfügt der Laserstrahl 24 über eine Leistungsstufenfähigkeit, die zusammen mit seiner Brennpunktposition eine Leistungsdichte erreichen kann, die ausreicht, um bei der Übertragung des Laserstrahls in den Werkstückstapel 10 hinein auf Wunsch ein Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels 10 zu erzeugen. Die Leistungsdichte, die benötigt wird, um ein Schlüsselloch innerhalb der sich überlappenden Metallwerkstücke 12, 14 (und möglicherweise 150) zu erzeugen, liegt typischerweise im 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, sind ein Faserlaserstrahl, ein Scheibenlaserstrahl und ein direkter Diodenlaserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei dem das Lasergewinnungsmedium eine mit einem Seltenerdelement dotierte Glasfaser ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, usw.). Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist ein diodengepumpter Laserstrahl, bei dem das Gewinnungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Seltenerdenelement dotiert ist (z.B. ein ytterbiumdotierter Yttrium-Aluminium-Granatkristall (Yb:YAG-Kristall), der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist) und an einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter direkter Diodenlaserstrahl ist ein kombinierter Laserstrahl (z.B. wellenlängenkombiniert), der von mehreren Dioden abgeleitet ist, wobei das Gewinnungsmedium 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.
Der optische Laserabtastkopf 42 beinhaltet eine Anordnung von Spiegeln 46, die den Laserstrahl 24 und so den Strahlpunkt 44 entlang der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 - und, wie nachstehend erläutert, entlang einer Oberseite eines Schmelzmetallabschnitts - innerhalb eines Betriebsbereichs 48 manövrieren, der die Schweißzone 16 zumindest teilweise überspannt. Hier ist, wie in 1 dargestellt, der von dem Betriebbereich 48 überspannte Abschnitt der Oberseite 20 als die 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 beinhaltet der optische Laserabtastkopf 42 auch eine z-Achsen-Fokuslinse 50, die einen Brennpunkt 52 (2) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse 54 des Laserstrahls 24 bewegen kann, um so die Position des Brennpunktes 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 optischen Laserabtastkopf 42 ein Abdeckschlitten 56 angeordnet sein. Der Abdeckschlitten 56 schützt die Anordnung der Spiegel 46 und die z-Achsen-Fokuslinse 50 vor der Umgebung, lässt aber den Laserstrahl 24 ohne wesentliche Störungen aus dem optischen Laserabtastkopf 42 austreten.
Die Anordnung der Spiegel 46 und die z-Achsen-Fokuslinse 50 arbeiten während des Betriebs der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 und seines Strahlpunkts 44 innerhalb des Betriebsbereichs 48 sowie die Position des Brennpunktes 52 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24 zu bestimmen. Die Anordnung der Spiegel 46 beinhaltet insbesondere ein Paar schwenkbare Abtastspiegel 58. Jeder der schwenkbaren Abtastspiegel 58 ist auf einem Galvanometer 60 montiert. Die beiden schwenkbaren Abtastspiegel 58 können die Position des Strahlpunkts 44 bewegen und so durch präzise abgestimmte Schwenkbewegungen der Galvanometer 60 den Punkt verändern, an dem der Laserstrahl 24 irgendwo in der x-y-Ebene des Bedienbereichs 48 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 auftrifft. Gleichzeitig steuert die z-Achsen-Fokuslinse 50 die Position des Brennpunktes 52 des Laserstrahls 24, um dazu beizutragen, dass der Laserstrahl 24 mit der richtigen Leistungsdichte gesteuert wird und die gewünschte Wärmeeinbringung sowohl augenblicklich als auch über die Zeit erreicht wird. Alle diese optischen Komponenten 50, 58 können in wenigen Millisekunden oder weniger indexiert werden, um den Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 in Bezug auf die x-y-Ebene der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entlang eines Strahlwegmusters mit einfacher oder komplexer Geometrie vorzuschieben, während die Position 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. 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 schwenkbaren Abtastspiegel 58 gemessen wird, der den Laserstrahl 24 abfängt und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 aus dem optischen Laserabtastkopf 42 austritt. Die Brennweite 62 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,4 Metern bis 2,0 Metern mit einem Durchmesser des Brennpunktes 52, der typischerweise zwischen 100 µm und 700 µm liegt. Die Brennweite sowie eine Brennpunktdistanz 64 lassen sich leicht einstellen. Der hierin verwendete Begriff „Brennpunktdistanz“ bezieht sich auf den Abstand zwischen dem Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 und der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 (oder der oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts, je nachdem, an welchem Punkt in dem offenbarten Verfahren auf die Brennpunktdistanz Bezug genommen wird) entlang der Längsachse 54 des Laserstrahls 24, wie am besten in 2 dargestellt, und wird typischerweise in Millimetern angegeben. Die Brennpunktdistanz 64 des Laserstrahls 24 ist somit Null, wenn der Brennpunkt 52 auf der Oberseite 20 des Stapels 10 positioniert ist.
Der Begriff „Brennpunktposition“ bezieht sich auf die Brennpunktdistanz 64 des Laserstrahls 24 und definiert, wo der Brennpunkt 52 relativ zur Oberseite des Werkstückstapels positioniert ist. Wenn der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 auf der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 oder der oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts positioniert ist, wie nachstehend in Bezug auf 7-9 beschrieben, ist die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 Null (oder „0“) und logischerweise ist die Brennpunktdistanz 54 ebenfalls Null, wie vorstehend erwähnt. Wenn sich der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 über der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 (oder über der oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts) befindet, ist die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 die Brennpunktdistanz 54, die als positiver Wert (+) angegeben wird. Ebenso ist, wenn sich der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 unterhalb der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 (oder unterhalb der oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts) befindet, die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 die Brennpunktdistanz 54, die als negativer Wert (-) angegeben wird. Die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 gibt somit nicht nur einen Hinweis auf die Brennpunktdistanz 54, sondern auch auf die Richtung entlang der Längsachse 54 des Laserstrahls 24, in welche der Brennpunkt 52 von der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 (oder der oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts) weg verschoben ist.
Bei dem vorliegend offenbarten Verfahren und momentan unter Bezugnahme auf 10 wird eine Laserschweißverbindung 66 im Werkstückstapel 10 gebildet, die jedes der Metallwerkstücke 12, 14 autogen verschweißt. Die Laserschweißverbindung 66 weist eine Oberseite 68 auf, die angrenzend an die umgebende Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 angeordnet ist. Die Oberseite 68 der Laserschweißverbindung 66 wird durch die Anwendung des Offenlegungsverfahrens geglättet. Insbesondere weist die Oberseite 68 der Laserschweißverbindung 66 in vielen Implementierungen des Offenlegungsverfahrens, aber nicht notwendigerweise in allen, eine Oberflächenrauheit auf, die als mittlere oder arithmetisch mittlere Rauheit (Ra) gemessen wird, die im Bereich von 12,5 µm bis 0,4 µm liegt. Dieser Grad der Oberflächenglätte ist im Allgemeinen eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen ein Schmelzmetallabschnitt durch einen Laserstrahl gebildet und dann schnell erstarren gelassen wird, was typischerweise dazu führt, dass eine Oberseite der resultierenden Laserschweißverbindung eine Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 200 µm bis 13 µm aufweist. Die Oberseite der Laserschweißverbindung ist besonders häufig aufgeraut oder rau, wenn die Metallwerkstücke aus Aluminium oder Magnesium bestehen.
Die hier in 10 dargestellte Laserschweißverbindung 66 ist zur Veranschaulichung in einem „2T“-Stapel ähnlich dem in 1 und 4-5 dargestellten Stapel dargestellt, bei dem der Werkstückstapel 10 nur die ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 beinhaltet. Die gleiche grundlegende Struktur der Laserschweißverbindung könnte auch in einem „3T“-Stapel ähnlich dem in 6 dargestellten Stapel erreicht werden, der die ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücke 12, 14, 150 beinhaltet, obwohl eine Darstellung einer solchen Laserschweißverbindung nicht explizit veranschaulicht ist. Die folgende Beschreibung der Laserschweißverbindung 66 lässt sich somit leicht auf Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens übertragen, bei denen der Werkstückstapel 10 ein „3T“-Stapel ist, der die ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücke 12, 14, 150 beinhaltet, und sogar ein „4T“-Stapel ist, der zwei zusätzliche Metallwerkstücke zwischen den flankierenden ersten und zweiten Metallwerkstücken 12, 14 beinhalten würde. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Diskussionsfreundlichkeit wird die Laserschweißverbindung 66 jedoch im Folgenden im Zusammenhang mit der „2T“-Werkstückstapelausführungsform mit dem Verständnis diskutiert, dass das offenbarte Verfahren nicht unbedingt auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Das vorliegend offenbarte Verfahren beginnt im Allgemeinen mit dem Bereitstellen des Werkstückstapels 10, was typischerweise umfasst, dass die einzelnen ersten und zweiten Metallwerkstücke 12, 14 (plus zusätzliche Metallwerkstücke wie das dritte Metallwerkstück 150) in den Stapel 10 montiert werden, indem die Metallwerkstücke 12, 14 zusammen mit geeigneten Vorrichtungen und/oder Spannmitteln zur Bereitstellung der Schweißzone 16 ausgerichtet und montiert werden. Nach dem Bereitstellen des Werkstückstapels 10 wird die Laserschweißverbindung 66 innerhalb der Schweißzone 16 vorzugsweise durch den Betrieb der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne gebildet. Mindestens zwei Stufen der Laserstrahlaktion werden von der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne während der Bildung der Laserschweißverbindung 66 durchgeführt und gesteuert. Zuerst wird, wie in 3-5 dargestellt, durch den Laserstrahl 24 ein Schmelzmetallabschnitt 70 innerhalb des Werkstückstapels 10 erzeugt. Nachdem der Schmelzmetallabschnitt 70 erzeugt wurde, erfährt der Laserstrahl 24 eine Verringerung der Leistungsdichte und wird verwendet, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt 70 einzuführen, um eine vollständige Verfestigung des Schmelzmetallabschnitts 70 zu verhindern, wie in 7-9 dargestellt. Das aktive Bemühen, die vollständige Erstarrung des Schmelzmetallabschnitts 70 zu verzögern, ermöglicht es der Laserschweißverbindung 66, eine glatte Oberseite 68 zu realisieren.
Unter nunmehr spezieller Bezugnahme auf 3-5 wird der Schmelzmetallabschnitt 70 (5) im Werkstückstapel 10 durch Schmelzen eines Teils des Werkstückstapels 10 mit dem Laserstrahl 24 erzeugt. Dazu wird der Laserstrahl 24 vom optischen Laserabtastkopf 42 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels an einer vorgegebenen Stelle innerhalb der Schweißzone 16 gerichtet. Das resultierende Auftreffen auf die Oberseite 20 des Stapels 10 durch den Laserstrahl 24 erzeugt ein Schmelzbad aus Metallschmelze 72 innerhalb des Stapels 10, das von der Oberseite 20 aus zur Unterseite 22 hin in den Stapel 10 eindringt und mindestens eine Stossschnittstelle schneidet. So schneidet beispielsweise das Schmelzbad aus Metallschmelze 72 bei dem in 1 und 4-5 dargestellten 2T-Stapel die zwischen den Metallwerkstücken 12, 14 hergestellte Stossschnittstelle 34 und kann ganz oder teilweise in den Werkstückstapel 10 eindringen. Ebenso schneidet das Schmelzbad aus Metallschmelze 72 in dem in 6 dargestellten 3T-Stapel mindestens die erste Stossschnittstelle 160 und in vielen Fällen sowohl die erste als auch die zweite Stossschnittstelle 160, 162 und kann ganz oder teilweise in den Werkstückstapel 10 eindringen. Das durch den Laserstrahl 24 erzeugte Schmelzbad aus Metallschmelze 72 ist das Schmelzmetallvolumen innerhalb des Werkstückstapels 10 unterhalb und/oder um den Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24, das aufgrund der Absorption von Laserstrahlenergie in einem geschmolzenen Zustand verbleiben kann, solange der Laserstrahl 24 auf den Werkstückstapel 10 übertragen wird.
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 74, ebenfalls in 3-4 dargestellt, das eine Säule aus verdampftem Werkstückmetall ist, die oft Plasma enthält. Das Schlüsselloch 74 wird innerhalb des Schmelzbads aus Metallschmelze 72 ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzbad aus Metallschmelze 72 nach innen einbricht. Und wie das Schmelzbad aus Metallschmelze 72 dringt auch das Schlüsselloch 74 von der Oberseite 20 aus zur Unterseite 22 hin in den Werkstückstapel 10 ein und schneidet die zwischen den ersten und zweiten Metallwerkstücken 12, 14 (oder den ersten, zweiten und dritten Metallwerkstücken 12, 150, 14) gebildete Stossschnittstelle 34 (oder die ersten und/oder zweiten Stossschnittstellen 160, 162). Das Schlüsselloch 74 stellt eine Leitung für den Laserstrahl 24 bereit, um Energie nach unten in den Werkstückstapel 10 hinein zu liefern, wodurch ein relativ tiefes und schmales Eindringen des Schmelzbads aus Metallschmelze 72 in den Werkstückstapel 10 ermöglicht wird, begleitet von einer relativ kleinen umliegenden wärmebeeinflussten Zone (HAZ). Das Schlüsselloch 74 kann zusammen mit dem Schmelzbad aus Metallschmelze 72 vollständig (wie dargestellt) oder teilweise in den Werkstückstapel 10 eindringen.
Beim Erzeugen des Schmelzbads aus Metallschmelze 72 und vorzugsweise des Schlüssellochs 74 - d.h., im Schlüsselloch-Schweißmodus oder in dem Schweißmodus mit tiefem Eindringen - wird der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 in einer Vorwärtsrichtung 76 relativ zur Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 in der x-y-Ebene des Arbeitsbereichs 48 entlang eines primären Strahlwegmusters 78 vorgeschoben, wie am besten in 3 dargestellt. Das primäre Strahlwegmuster 78 kann einen oder mehrere Schweißpfade 80 beinhalten, die auf die Oberseite 20 projiziert werden, wie beispielsweise einen einzelnen spiralförmigen Schweißpfad, der in einer archimedischen oder nicht-archimedischen Spirale angeordnet ist, eine Reihe von radial beabstandeten konzentrischen kreisförmigen oder elliptischen Schweißpfaden, einen einzelnen sinusförmigen oder anderen periodischen oder wellenförmigen Schweißpfad, einen einzelnen linearen Schweißpfad, einen einzelnen klammer- oder „C“-förmigen Schweißpfad oder jedes andere geeignete Muster aus einem oder mehreren Schweißpfaden. Einige konkrete Beispiele für mehrere der zuvor genannten Strahlwegmuster und andere, die als das primäre Strahlwegmuster 78 nützlich sein können, sind in PCT/ CN2016/106914 , PCT/ CN2016/102669 , PCT/ CN2016/083112 , PCT/ CN2015/094003 , PCT/ CN2015/088569 und PCT/ CN2015/088563 dargestellt und beschrieben, um nur einige Möglichkeiten zu nennen, die alle hierin in ihrer Gesamtheit berücksichtigt sind. Das hier in 3 zur Veranschaulichung dargestellte primäre Strahlwegmuster 78 umfasst einen einzelnen Spiralschweißpfad, der in einer archimedischen Spirale angeordnet ist.
Das Vorschieben des Strahlpunktes 44 des Laserstrahls 24 entlang des primären Strahlwegmusters 78 wird durch eine präzise Steuerung der koordinierten Bewegungen der schwenkbaren Abtastspiegel 58 innerhalb des optischen Laserabtastkopfes 42 gesteuert. Während der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang des primären Strahlwegmusters 78 vorgeschoben wird, wird das Schmelzbad aus Metallschmelze 72 (zusammen mit dem Schlüsselloch 74, falls vorhanden) entlang einer entsprechenden Route innerhalb des Werkstückstapels 10 verschoben. Dadurch strömt eindringendes geschmolzenes Metall um und hinter dem Strahlpunkt 44 und dem Schmelzbad 72 aus Metallschmelze innerhalb des Werkstückstapels 10, was zum Wachstum des Schmelzmetallabschnitts 70 im Zuge des fortschreitenden Vorschiebens des Laserstrahls 24 führt. Und je nach Geometrie des primären Strahlwegmusters 78 kann der Schmelzmetallabschnitt 70 eine diskrete, längliche Schmelzspur hinter der Vorwärtsbewegung des Strahlpunktes 44 des Laserstrahls 24, wie in 8 dargestellt, bilden, oder er kann eine vereinigte Schmelzlache sein, die sich aus der Fusion von geschmolzenem Material ergibt, wenn der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang mehrerer Abschnitte des gleichen Schweißpfads oder mehrerer diskreter Schweißpfade, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, wie in 9 dargestellt, vorgeschoben wird.
Der Schmelzmetallabschnitt 70 stellt somit die vollständige Sammlung des Volumens des geschmolzenen Materials dar, das durch das Vorschieben des Strahlpunkts 44 des Laserstrahls 24 entlang des primären Sstrahlwegmusters 78 erzeugt wird, und besteht aus Material von jedem der durch den Laserstrahl 24 geschmolzenen Metallwerkstücke 12, 14 (oder 12, 150, 14). Wie in 5 am besten dargestellt, beinhaltet der Schmelzmetallabschnitt 70, der in Form einer vereinigten Schmelzlache dargestellt ist, eine obere Oberfläche 82, die entlang der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 freiliegt. Und ähnlich wie das Schmelzbad aus Metallschmelze 72 in unmittelbarer Nähe des Strahlpunktes 44 des Laserstrahls 24 dringt der Schmelzmetallabschnitt 70 von der Oberseite 20 des Stapels 10 aus zur Unterseite 22 des Stapels 10 hin in den Werkstückstapel 10 ein und schneidet jede innerhalb des Werkstückstapels 10 eingerichtete Stossschnittstelle 34 (oder 160, 162) zwischen seinen Ober- und Unterseiten 20, 22. In diesem Zusammenhang kann der Schmelzmetallabschnitt 70 den Werkstückstapel 10 ganz oder teilweise durchdringen. Ein vollständig durchdringender Schmelzmetallabschnitt 70 durchdringt den Werkstückstapel 10 vollständig und durchbricht die Unterseite 22, wie dargestellt, während ein teilweise durchdringender Schmelzmetallabschnitt 70 bis zu einer gewissen Zwischentiefe in das zweite Metallwerkstück 14 eindringt und somit die Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 nicht durchbricht.
Um den Schmelzmetallabschnitt 70 zu erzeugen, muss der Laserstrahl 24 eine ausreichende Leistungsdichte aufweisen, um die einzelnen Metallwerkstücke 12, 14 (oder 12, 150, 14), die in dem Werkstückstapel 10 enthalten sind, zu schmelzen und, falls gewünscht, das Schlüsselloch 74 innerhalb des Stapels 10 unter dem Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 zu erzeugen. Die Leistungsdichte des Laserstrahls 24 ist einfach das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 dividiert durch die projizierte Fläche des Strahlpunkts 44 des Laserstrahls und wird oft in kW/cm² oder MW/cm² angegeben. Zu diesem Zweck ist die Leistungsdichte des Laserstrahls 24 abhängig vom Leistungsniveau des Laserstrahls 24 und, insbesondere wenn der Laserstrahl 24 ein Gaußstrahl ist, von der Brennpunktdistanz 64 des Laserstrahls 24, und sie kann zwischen 0,7 MW/cm² und 4,0 MW/cm² liegen, wenn der Laserstrahl 24 entlang des primären Strahlwegmusters 78 vorgeschoben wird. Zusätzlich zur Leistungsdichte kann die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 gesteuert werden, um die Energieaufnahme und die Schmelzleistung des Laserstrahls 24 zu steuern, um den gewünschten Schmelzmetallabschnitt 70 zu erzeugen. In vielen Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens kann der Schmelzmetallabschnitt 70 erzeugt werden, indem der Laserstrahl 24 in Bezug auf die Oberseite 20 des Werkstücks 10 entlang des primären Strahlwegmusters 78 mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 1 m/min bis 120 m/min vorgeschoben wird, während das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 zwischen -20 mm und +20 mm liegt.
Nach dem Erzeugen ist die obere Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 anfällig für Störungen und für das Entwickeln von Micro-Unebenheiten und anderen Oberflächenanomalien, wenn die Übertragung des Laserstrahls 24 unterbrochen wird und der Schmelzmetallabschnitt 70 schnell abkühlen kann. Eine zu stark aufgeraute oder raue Oberseite der resultierenden Laserschweißverbindung kann mehrere negative Auswirkungen auf das optische Erscheinungsbild und/oder die strukturelle Integrität der Schweißverbindung haben. Um dieses Problem anzugehen, fordert das offenbarte Verfahren das Reduzieren der Leistungsdichte des Laserstrahls 24 und das Bewegen des Strahlpunkts 44 des Laserstrahls 34 relativ zur oberen Oberfläche 80 des Schmelzmetallabschnitts 70 in der x-y-Ebene des Betriebsbereichs 48 entlang eines sekundären Strahlwegmusters 84, wie in 7-9 dargestellt. Die Bewegung des Strahlpunktes 44 des Laserstrahls 24 entlang des sekundären Strahlwegmusters 84 in einem Zustand mit reduzierter Leistungsdichte führt Wärme in den Schmelzmetallabschnitt 70 ein und verhindert, dass sich der Schmelzmetallabschnitt 70 vollständig verfestigt. Insbesondere wird mindestens ein oberer Bereich 86 des Schmelzmetallabschnitts 70, der die obere Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten, wie in 7 dargestellt. Der obere Bereich 86 des Schmelzmetallabschnitts 70, der in einem geschmolzenen Zustand verbleibt, sollte nicht weniger als 10% des Volumens des ursprünglich erzeugten Schmelzmetallabschnitts 70 ausmachen, während vorzugsweise der gesamte Schmelzmetallabschnitt 70 in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Die Reduzierung der Leistungsdichte des Laserstrahls 24 und die Bewegung des Strahlpunktes 44 des Laserstrahls 24 entlang des sekundären Strahlwegmusters 84 kann von der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne unmittelbar nach dem Erzeugen des Schmelzmetallabschnittes 70 gesteuert und umgesetzt werden. Um beispielsweise die Leistungsdichte des Laserstrahls 44 zu reduzieren, kann eine der folgenden Maßnahmen durchgeführt werden: (1) Defokussieren des Laserstrahls 24, um die Brennpunktdistanz 64 des Laserstrahls 24 zu erhöhen; (2) Reduzieren des Leistungsniveaus des Laserstrahls 24; oder (3) Defokussieren des Laserstrahls 24, um die Brennpunktdistanz 64 des Laserstrahls 24 zu erhöhen und Reduzieren des Leistungsniveaus des Laserstrahls 24. Es ist zu beachten, dass der Laserstrahl 24 defokussiert werden kann, indem der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 von der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entlang der Längsachse 54 des Laserstrahls 24 wegbewegt wird, so dass der Brennpunkt 52 eine positivere (+) Brennpunktposition oder eine negativere (-) Brennpunktposition einnimmt. In beiden Fällen, wenn sich der Brennpunkt 52 des Laserstrahls von der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entfernt, vergrößert sich die Oberfläche des Strahlpunkts 44, vorausgesetzt, dass der Laserstrahl 24 eine Gaußsche Intensitätsverteilung oder ein anderes anwendbares Intensitätsprofil aufweist.
Die Leistungsdichte des Laserstrahls 24 wird vorzugsweise so reduziert, dass sie im Bereich von 0,01 MW/cm² bis 0,5 MW/cm² liegt, wenn der Laserstrahl 24 entlang des sekundären Strahlwegmusters 84 bewegt wird. Was die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 24 betrifft, so kann sie erhöht, verringert oder gleich gehalten werden, abhängig von einer Vielzahl von Faktoren, einschließlich der Größe und Form des Schmelzmetallabschnitts 70, der Geometrie des sekundären Strahlwegmusters 84, der Zusammensetzung der Metallwerkstücke 12, 14 (oder 12, 150, 14) und dem Ausmaß der Leistungsdichtenreduzierung, um nur einige zu nennen. In vielen Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens kann der Laserstrahl 24 relativ zur oberen Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 entlang des sekundären Strahlwegmusters 84 mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 10 m/min bis 120 m/min bewegt werden, während das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 zwischen -50 mm und -10 mm oder zwischen +10 mm und +50 mm liegt. Natürlich sind auch andere Kombinationen dieser Laserstrahlparameter, die außerhalb eines oder mehrerer der vorgenannten Bereiche liegen, unter bestimmten Umständen des offenbarten Verfahrens durchaus möglich.
Die Bewegung des Strahlpunktes 44 des Laserstrahls 24 entlang des sekundären Strahlwegmusters 84 kann durch präzises Steuern der koordinierten Bewegungen der schwenkbaren Abtastspiegel 58 innerhalb des optischen Laserabtastkopfes 42 ähnlich wie zuvor beim Verfolgen des primären Strahlwegmusters 78 durchgeführt werden. Das Laserstrahlbewegungsmuster 84 kann einen oder mehrere Schweißpfade 88 beinhalten, die auf die obere Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 projiziert werden, wie beispielsweise einen einzelnen spiralförmigen Schweißpfad, der in einer archimedischen oder nicht-archimedischen Spirale angeordnet ist, eine Reihe von radial beabstandeten konzentrischen kreisförmigen oder elliptischen Schweißpfaden, einen sinusförmigen oder anderen periodischen Schweißpfad, einen einzelnen linearen Schweißpfad, einen einzelnen klammer- oder „C“-förmigen Schweißpfad oder jedes andere geeignete Muster aus einem oder mehreren Schweißpfaden. Dementsprechend kann das sekundäre Strahlwegmuster 84 das gleiche wie das primäre Strahlwegmuster 78 sein oder sich davon unterscheiden, und es kann eines der Strahlwegmuster sein, die in den vorstehend genannten internationalen Patentanmeldungen in Bezug auf das primäre Strahlwegmuster 78 dargestellt und beschrieben sind und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. So kann beispielsweise das sekundäre Strahlwegmuster 78 ein einzelner Spiralschweißpfad sein, der in einer archimedischen Spirale angeordnet ist, wie in 8 dargestellt, oder ein einzelner sinusförmiger Schweißpfad, wie in 9 dargestellt. Darüber hinaus kann das sekundäre Strahlwegmuster 84 im Bereich der oberen Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70, wie in 8-9 dargestellt, entsprechend sein, obwohl eine solche Beziehung nicht unbedingt erforderlich ist, da das sekundäre Strahlwegmuster 84 eine größere oder kleinere Fläche als die obere Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 sein kann.
Da der Laserstrahl 24 eine reduzierte Leistungsdichte aufweist, wenn er entlang des sekundären Strahlwegmusters 84 bewegt wird, und kein Schlüsselloch unter dem Strahlpunkt 44 vorhanden ist, reicht die in den Schmelzmetallabschnitt 70 eingeleitete Wärmemenge nicht aus, um den Schmelzmetallabschnitt 70 aufzurühren und weiter wachsen zu lassen. Vielmehr ist der Effekt eines solchen Laserstrahlmanövers, wie vorstehend angedeutet, das Einbringen von Wärme in den Schmelzmetallabschnitt 70, um mindestens den oberen Bereich 86 in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Unter diesen Umständen wird die Energie entlang der oberen Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 neu verteilt, und es wird genügend Zeit vorgesehen, damit die inhärente Oberflächenspannung des Schmelzmetalls die obere Oberfläche 82 auf natürliche Weise zum sich Setzen und Abflachen bringt. Und während die genaue Zeitspanne, die für das Abflachen der oberen Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 benötigt wird, aufgrund mehrerer Faktoren variieren kann, ist es in vielen Fällen ausreichend, mindestens den oberen Bereich 86 des Schmelzmetallabschnitts 70 - und vorzugsweise den gesamten Schmelzmetallabschnitt 70 - für einen Zeitraum von 50 ms bis 1000 ms in einem geschmolzenen Zustand zu halten, da der Laserstrahl 24 beim Verfolgen des sekundären Strahlwegmusters 84 Wärme einbringt.
Sobald der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 das Verfolgen des sekundären Strahlwegmusters 84 beendet hat, wird der Laserstrahl 24 von der oberen Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts 70 entfernt, typischerweise durch Unterbrechen der Übertragung des Laserstrahls 24. Das Entfernen des Laserstrahls 24 von dem Schmelzmetallabschnitt 70 bewirkt, dass sich der Schmelzmetallabschnitt 70 mit seiner nun gesetzten und abgeflachten oberen Oberfläche 82 schnell abkühlt und zu einem wieder erstarrten Verbundwerkstückmaterial 90 verfestigt, wie in 10 dargestellt. Das wieder erstarrte Verbundwerkstückmaterial 90 stammt von jedem der von dem Schmelzmetallabschnitt 70 durchdrungenen Metallwerkstücke 12, 14 (oder 12, 150, 14) und seine Zusammensetzung wird durch die Zusammensetzungen der durchdrungenen Metallwerkstücke bestimmt. Das durch den Laserstrahl 24 erhaltene gesamte wieder erstarrte Verbundwerkstückmaterial 90 bildet die Laserschweißverbindung 66 und die glatte Oberseite 68 der Verbindung 66 wird aus der Verfestigung der oberen Oberfläche 82 des Schmelzmetallabschnitts erhalten. Folglich erstreckt sich die Laserschweißverbindung 66, wie in 10 dargestellt, von der Oberseite 20 des Stapels 10 aus zur Unterseite 22 hin in den Werkstückstapel 10 hinein, wobei sie jede etablierte Stossschnittstelle 34 (oder 160, 162) schneidet, und kann sich darüber hinaus ganz oder teilweise in den Werkstückstapel 10 erstrecken, je nachdem, inwieweit der Schmelzmetallabschnitt 70 während der Übertragung des Laserstrahls 24 in den Stapel 10 eingedrungen ist.
Die Laserschweißverbindung 66 kann je nach Geometrie des primären Strahlwegmusters 78 eine Vielzahl von Formen und Strukturen annehmen. So kann beispielsweise die Laserschweißverbindung 66 als Laserpunktschweißverbindung ausgebildet sein, die eine verfestigte Linse aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial 90 ist, das durch Manövrieren des Laserstrahls 24 entlang eines primären Strahlwegmusters gebildet werden kann, das aus einem spiralförmigen Schweißpfad oder einer Reihe von konzentrischen kreisförmigen oder elliptischen Schweißpfaden besteht, so dass der Schmelzmetallabschnitt 70 im Wesentlichen zu einer größeren verdichteten Schmelzlache wächst, wie sie in 9 dargestellt ist. In einem weiteren Beispiel kann die Laserschweißverbindung 66 als Laserschweißnahtverbindung ausgebildet sein, die eine Spur aus wieder erstarrtem Verbundwerkstückmaterial 90 ist, die durch Manövrieren des Laserstrahls 24 entlang eines primären Strahlwegmusters gebildet wird, das aus einem linearen Schweißpfad, einem nichtlinearen Schweißpfad wie einem C-förmigen „Heftklammer“- oder Wellenschweißpfad oder einem einzelnen kreisförmigen oder elliptischen Schweißpfad mit einem großen Durchmesser besteht, der groß genug ist, dass ein zentraler, nicht geschweißter Abschnitt vorhanden ist, dass der Schmelzmetallabschnitt 70 eine diskrete, längliche Schmelzspur bildet, wie sie in 8 dargestellt ist. Unabhängig von seiner endgültigen Form und Struktur verschweißt das wieder verfestigte metallische Verbundwerkstückmaterial 90 der Laserschweißverbindung 66 die Metallwerkstücke 12, 14 (oder 12, 150, 14) autogen miteinander, während die Oberseite 68 der Schweißverbindung 66 durch die Anwendung des offenbarten Verfahrens mit seinen mindestens zwei Stufen der Laserstrahlwirkung eine gleichbleibende Glätte aufweist.
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 erhalten, sofern in der Spezifikation nicht ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0360986 [0028]
CN 2016/106914 [0044]
CN 2016/102669 [0044]
CN 2016/083112 [0044]
CN 2015/094003 [0044]
CN 2015/088569 [0044]
CN 2015/088563 [0044]

Claims

Verfahren zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken durch die Praxis des Laserschweißens, wobei das Verfahren umfasst: Montieren eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr Metallwerkstücke beinhaltet, die sich überlappen, um eine Schweißzone zu definieren, wobei die Schweißzone des Werkstückstapels eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, und ferner Herstellen einer Stossschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Metallwerkstücke, die in dem Werkstückstapel enthalten sind; Vorschieben eines Strahlpunkts eines Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des Werkstückstapels entlang eines primären Strahlwegmusters, um einen Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen, der von der Oberseite des Stapels aus zu der Unterseite des Stapels hin in den Werkstückstapel eindringt und die mindestens eine Stossschnittstelle schneidet, die zwischen der Oberseite und der Unterseite des Werkstückstapels hergestellt ist; Reduzieren einer Leistungsdichte des Laserstrahls nach der Erzeugung des Schmelzmetallabschnitts und Bewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang eines sekundären Strahlwegmusters, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzubringen, so dass der Schmelzmetallabschnitt an einer vollständigen Verfestigung gehindert wird und mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird; und Entfernen des Laserstrahls von dem Schmelzmetallabschnitt, um es dem Schmelzmetallabschnitt zu ermöglichen, sich zu einer Laserschweißverbindung zu verfestigen, die aus wiederverfestigtem Verbundwerkstückmaterial besteht, das von jedem der von dem Schmelzmetallabschnitt durchdrungenen Metallwerkstücke stammt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkstückstapel zwei oder drei sich überlappende Metallwerkstücke beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei jedes der zwei oder drei sich überlappenden Metallwerkstücke ein Stahlwerkstück ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei jedes der zwei oder drei sich überlappenden Metallwerkstücke ein Aluminium- oder Magnesiumwerkstück ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserschweißverbindung eine Laserpunktschweißverbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserschweißverbindung eine Laserschweißnahtverbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserschweißverbindung eine Oberseite aufweist, die an die Oberseite des Werkstückstapels angrenzt, und wobei die Oberseite der Laserschweißverbindung eine Oberflächenrauheit (Ra) aufweist, die von 12,5 µm bis 0,4 µm reicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl ein Festkörperlaserstrahl ist, und wobei das Vorschieben des Laserstrahls entlang des primären Strahlwegmusters, um den Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen, und dann das Bewegen des Laserstrahls entlang des sekundären Strahlwegmusters, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzuführen, durch eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des Werkstücks entlang des primären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 1 m/min bis 120 m/min vorgeschoben wird, während ein Leistungsniveau des Laserstrahls von 2 kW bis 10 kW reicht und eine Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -20 mm und +20 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Laserstrahl relativ zur oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit bewegt wird, die von 10 m/min bis 120 m/min reicht, während ein Leistungsniveau des Laserstrahls von 2 kW bis 10 kW reicht und eine Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -50 mm und - 10 mm oder zwischen +10 mm und +50 mm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reduzieren der Leistungsdichte des Laserstrahls das Defokussieren des Laserstrahls zum Vergrößern einer Brennpunktdistanz des Laserstrahls, das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls oder das Defokussieren des Laserstrahls zum Vergrößern einer Brennpunktdistanz des Laserstrahls und das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Schlüsselloch unterhalb des Strahlpunkts des Laserstrahls erzeugt und innerhalb des Werkstückstapels während des Vorschiebens des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang des primären Strahlwegmusters verschoben wird.
Verfahren zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken durch die Praxis des Laserschweißens, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr Metallwerkstücke beinhaltet, die sich überlappen, um eine Schweißzone zu definieren, wobei die Schweißzone des Werkstückstapels eine Oberseite und eine Unterseite aufweist und ferner Herstellen einer Stossschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Metallwerkstücke, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, und wobei alle der zwei oder mehreren Metallwerkstücke in dem Werkstückstapel Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sind; Richten eines Laserstrahls auf die Oberseite des Werkstückstapels, um ein Schlüsselloch innerhalb des Werkstückstapels zu erzeugen, das von einem Schmelzbad aus Metallschmelze umgeben ist, wobei der Laserstrahl eine Leistungsdichte aufweist; Vorschieben eines Strahlpunkts des Laserstrahls in Bezug auf die Oberseite des Werkstückstapels entlang eines primären Strahlwegmusters, um einen Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen, der von der Oberseite des Stapels aus in den Werkstückstapel in Richtung der Unterseite des Stapels eindringt und die mindestens eine Stossschnittstelle schneidet, die zwischen der Oberseite und der Unterseite des Werkstückstapels hergestellt ist, wobei die Leistungsdichte des Laserstrahls von 0,7 MW/cm² bis 4,0 MW/cm² während des Vorschiebens des Laserstrahls entlang des primären Strahlwegmusters reicht; Reduzieren der Leistungsdichte des Laserstrahls nach der Erzeugung des Schmelzmetallabschnitts auf zwischen 0,01 MW/cm² und 0,5 MW/cm² Bewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang eines sekundären Strahlwegmusters, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzubringen, so dass der Schmelzmetallabschnitt an einer vollständigen Verfestigung gehindert wird und mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird; und Unterbrechen der Übertragung des Laserstrahls, um zu ermöglichen, dass sich der Schmelzmetallabschnitt vollständig zu einer Laserschweißverbindung verfestigt, die aus einem wiederverfestigten Verbundwerkstückmaterial besteht, das von jedem der vom Schmelzmetallabschnitt durchdrungenen Metallwerkstücke stammt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Werkstückstapel zwei oder drei sich überlappende Metallwerkstücke beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Laserschweißverbindung eine Oberseite aufweist, die an die Oberseite des Werkstückstapels angrenzt, und wobei die Oberseite der Laserschweißverbindung eine Oberflächenrauheit (Ra) aufweist, die von 12,5 µm bis 0,4 µm reicht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Reduzieren der Leistungsdichte des Laserstrahls das Defokussieren des Laserstrahls zum Vergrößern einer Brennpunktdistanz des Laserstrahls, das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls oder das Defokussieren des Laserstrahls zum Vergrößern einer Brennpunktdistanz des Laserstrahls und das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Laserstrahl ein Festkörperlaserstrahl ist, wobei das Vorschieben des Laserstrahls entlang des primären Strahlwegmusters, um den Schmelzmetallabschnitt zu erzeugen, und dann das Bewegen des Laserstrahls entlang des sekundären Strahlwegmusters, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzubringen, durch eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne durchgeführt wird, die ein Leistungsniveau, eine Verfahrgeschwindigkeit und eine Brennpunktposition des Laserstrahls steuert, wobei der Laserstrahl in Bezug auf die Oberseite des Werkstücks entlang des primären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 1 m/min bis 120 m/min vorgeschoben wird, während das Leistungsniveau des Laserstrahls im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und die Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -20 mm und +20 mm liegt, und wobei der Laserstrahl relativ zur oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 10 m/min bis 120 m/min bewegt wird, während das Leistungsniveau des Laserstrahls im Bereich von 2 kW bis 10 kW liegt und die Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -50 mm und -10 mm oder zwischen +10 mm und +50 mm liegt.
Verfahren zum Zusammenfügen von Metallwerkstücken durch die Praxis des Laserschweißens, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Werkstückstapels, der zwei oder mehr Metallwerkstücke beinhaltet, die sich überlappen, um eine Schweißzone zu definieren, wobei die Schweißzone des Werkstückstapels eine Oberseite und eine Unterseite aufweist und ferner Herstellen einer Stossschnittstelle zwischen jedem Paar benachbarter Metallwerkstücke, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, und wobei alle der zwei oder mehreren Metallwerkstücke in dem Werkstückstapel Stahlwerkstücke, Aluminiumwerkstücke oder Magnesiumwerkstücke sind; Betreiben eines optischen Laserabtastkopfes einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne, um einen Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels zu richten und zusätzlich einen Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zur Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißzone und entlang eines primären Strahlwegmusters vorzuschieben, um ein Schlüsselloch entlang einer entsprechenden Strecke innerhalb des Werkstückstapels zu verschieben, wodurch ein Schmelzmetallabschnitt erzeugt wird, der in den Werkstückstapel eindringt und jede zwischen der Oberseite und der Unterseite des Werkstückstapels hergestellte Stossschnittstelle schneidet; Betreiben des optischen Laserabtastkopfes der Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne, um eine Leistungsdichte des Laserstrahls zu reduzieren und den Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu einer oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang eines sekundären Strahlwegmusters weiter zu bewegen, um Wärme in den Schmelzmetallabschnitt einzuführen, so dass mindestens ein oberer Bereich des Schmelzmetallabschnitts, der die obere Oberfläche beinhaltet, in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird; und Entfernen des Laserstrahls von dem Schmelzmetallabschnitt, um es dem Schmelzmetallabschnitt zu ermöglichen, sich zu einer Schweißverbindung zu verfestigen, die die zwei oder drei Metallwerkstücke miteinander verschweißt, wobei die Laserschweißverbindung eine glatte Oberseite angrenzend an die Oberseite des Werkstückstapels aufweist, die eine Oberflächenrauheit (Ra) im Bereich von 12,5 µm bis 0,4 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Reduzieren der Leistungsdichte des Laserstrahls das Defokussieren des Laserstrahls zum Vergrößern einer Brennpunktdistanz des Laserstrahls, das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls oder das Defokussieren des Laserstrahls zum Vergrößern einer Brennpunktdistanz des Laserstrahls und das Reduzieren eines Leistungsniveaus des Laserstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Laserstrahl relativ zu der oberen Oberfläche des Schmelzmetallabschnitts entlang des sekundären Strahlwegmusters mit einer Verfahrgeschwindigkeit im Bereich von 10 m/min bis 120 m/min bewegt wird, während das Leistungsniveau des Laserstrahls von 2 kW bis 10 kW reicht und die Brennpunktposition des Laserstrahls zwischen -50 mm und -10 mm oder zwischen +10 mm und +50 mm liegt.