DE112017007470T5

DE112017007470T5 - Verfahren zum laserschweissen von werkstücken aus metall unter verwendung einer kombination von schweissstrecken

Info

Publication number: DE112017007470T5
Application number: DE112017007470.3T
Authority: DE
Inventors: David Yang; Wu Tao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2020-01-02
Also published as: CN110914014A; US11491580B2; US20200171603A1; CN110914014B; WO2018227382A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen von zwei oder mehr sich überlappenden Werkstücken aus Metall (12, 14 oder 12, 150, 14), die in einer Schweißregion (16) eines Werkstückstapels (10) enthalten sind, umfasst das Voranbewegen eines Strahlpunkts (44) eines Laserstrahls (24) relativ zu einer Oberseite (20) des Werkstückstapels entlang einer ersten Schweißstrecke (72) in eine erste Richtung (74), um eine längliche Schmelzpfütze (76) auszubilden, und dann das Voranbewegen des Strahlpunkts (44) des Laserstrahls (24) entlang einer zweiten Schweißstrecke (78) in eine zweite Richtung (80), die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, während die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand ist. Die erste Schweißstrecke und die zweite Schweißstrecke überlappen sich, so dass der Strahlpunkt des Laserstrahls durch die längliche Schmelzpfütze hindurch befördert wird, wenn der Strahlpunkt entlang der zweiten Schweißstrecke voranbewegt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken aus Metall durch Laserschweißen, etwa eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr Werkstücken aus Stahl besteht, eines Werkstückstapels, der aus zwei oder Werkstücken aus Aluminium besteht oder eines Werkstückstapels, der aus zwei oder mehr Werkstücken aus Magnesium besteht.
EINLEITUNG
Das Laserschweißen ist ein Metallfügeprozess, bei dem ein Laserstrahl auf eine Anordnung von gestapelten Werkstücken aus Metall gelenkt wird, um eine konzentrierte Wärmequelle bereitzustellen, die zum Erzielen einer Schweißverbindung zwischen den beteiligten Werkstücken aus Metall in der Lage ist. Im Allgemeinen werden zunächst komplementäre Flansche oder andere Verbindungsregionen von zwei oder mehr Werkstücken aus Metall ausgerichtet, angepasst und relativ zueinander so gestapelt, dass sich ihre Stoßflächen überlappen und einander gegenüberliegen, um eine oder mehrere Stoßschnittstellen auszubilden. Dann wird ein Laserstrahl auf eine zugängliche Oberseite des Werkstückstapels innerhalb einer Schweißregion gelenkt, die von dem überlappenden Abschnitt der Werkstücke überspannt wird. Die aus der Absorption von Energie von dem Laserstrahl erzeugte Wärme leitet das Schmelzen der Werkstücke aus Metall ein und bildet ein Schmelzbad aus Metallschmelze innerhalb des Werkstückstapels aus. Und wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls ausreichend hoch ist, wird unter einem Strahlpunkt des Laserstrahls innerhalb des Schmelzbads aus Metallschmelze ein Schlüsselloch erzeugt. Ein Schlüsselloch ist eine Säule aus verdampftem Metall, das von den Werkstücken aus Metall stammt, die Plasma enthalten kann. Das Schlüsselloch ist ein effektiver Absorber von Energie von dem Laserstrahl, wodurch ein tiefes und schmales Eindringen von geschmolzenem Werkstückmetall in den Stapel hinein ermöglicht wird.
Das Schmelzbad aus Metallschmelze und das Schlüsselloch, falls vorhanden, werden, nachdem der Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels auftrifft, in sehr kurzer Zeit erzeugt. Nachdem das Schmelzen der Werkstücke aus Metall eingeleitet wurde, kann der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels voranbewegt werden, was herkömmlich beinhaltet, dass der Laserstrahl entlang eines Strahlbewegungsmusters mit einem relativ einfachen oder komplexen geometrischen Profil bewegt wird, das auf die Oberseite des Stapels projiziert wird. Wenn der Laserstrahl entlang der Oberseite des Stapels voranbewegt wird, fließt geschmolzenes Werkstückmetall aus dem Schmelzbad innerhalb des Werkstückstapels um den sich voranbewegenden Strahlpunkt und dahinter. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmetall kühlt sich schließlich ab und erstarrt im Kielwasser des sich voranbewegenden Laserstrahls zu einem konsolidierten wiedererstarrten Metallwerkstückmaterial. Sobald der Laserstrahl das Verfolgen des Strahlbewegungsmusters beendet hat, wird die Übertragung des Laserstrahls auf die Oberseite des Werkstückstapels schließlich beendet, wobei zu diesem Zeitpunkt das Schlüsselloch, falls vorhanden, kollabiert und sämtliches noch im Stapel vorhandenes geschmolzenes Werkstückmetall erstarrt. Das konsolidierte, wiedererstarrte Werkstückmaterial, das durch den Betrieb des Laserstrahls erhalten wird, bildet eine Laserschweißverbindung, welche die sich überlappenden Werkstücke aus Metall autogen miteinander verschweißt.
Viele Branchen verwenden das Laserschweißen als Teil ihrer Fertigungspraxis, neben anderen, die Kraftfahrzeugindustrie, die Luftfahrtindustrie, die Schifffahrtindustrie, die Eisenbahn und die Bauindustrie. Das Laserschweißen ist ein attraktiver Fügeprozess, da es nur einen Zugang von einer Seite benötigt, mit verringerten Flanschbreiten praktiziert werden kann und zu einer relativ kleinen durch Hitze beeinträchtigten Zone in der Stapelanordnung führt, welche Temperaturstörungen in den Werkstücken aus Metall minimiert. In der Kraftfahrzeugindustrie beispielsweise kann das Laserschweißen verwendet werden, um Werkstücke aus Metall während der Herstellung der Rohkarosserie (BIW von Englisch body-in-white) sowie endbearbeitete Anfügeteile zusammenzufügen, die vor dem Lackieren an der BIW installiert werden. Einige spezielle Fälle, bei denen das Laserschweißen verwendet werden kann, umfassen die Konstruktion und Befestigung von Last tragenden Karosseriestrukturen innerhalb der BIW, etwa Trägerstrukturen, Schwingen, A-, B- und C-Säulen und Karosserieboden-Querelemente. Andere spezielle Instanzen, bei denen das Laserschweißen ebenfalls verwendet werden kann, umfassen nicht Last tragende Beifügungen in der BIW, etwa das Anbringen eines Dachs an einem Seitenblech und das Verbinden von sich überlagernden Flanschen, die bei der Konstruktion der Türen, der Motorhaube und des Kofferraumdeckels auftreten.
Die Praxis des Laserschweißens kann Probleme für bestimmte Arten von Werkstücken aus Metall bereiten. Zum Beispiel beinhalten Werkstücke aus Stahl oft eine Beschichtung aus einem zinkbasierten Material zum Korrosionsschutz. Zink weist einen Siedepunkt von etwa 906°C auf, während der Schmelzpunkt des Stahlbasissubstrats, das es beschichtet, typischerweise bei 1300°C oder mehr liegt. Wenn daher ein Werkstück aus Stahl, das eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung beinhaltet, mit Laser geschweißt wird, entstehen leicht Zinkdämpfe unter hohem Druck an der Oberfläche des Werkstücks aus Stahl und diese weisen eine Tendenz zum Stören des Laserschweißprozesses auf. Insbesondere werden die Zinkdämpfe, die an der einen oder den mehreren Stoßschnittstellen der Werkstücke aus Stahl erzeugt werden, zum Diffundieren in das geschmolzene Werkstückmetall hinein und hindurch gezwungen, das durch den Laserstrahl erzeugt wird, sofern nicht ein alternativer Fluchtweg durch den Werkstückstapel hindurch bereitgestellt wird. Wenn kein angemessener Fluchtweg bereitgestellt wird, kann es sein, dass Zinkdämpfe in dem geschmolzenen Werkstückmetall gefangen bleiben, während dieses abkühlt und erstarrt, was zu Defekten bei der resultierenden Schweißverbindung - etwa Porosität durch Blaseneinschluss - sowie zu anderen Unstimmigkeiten der Schweißverbindung führen kann, etwa Spritzer, Lunker und Verbindungen mit Hinterschneidungen. Diese Mängel von Schweißverbindungen können, wenn sie gravierend genug sind, die mechanischen Eigenschaften der Laserschweißverbindung in unbefriedigender Weise verschlechtern.
Um zu verhindern, dass Zinkdämpfe unter hohem Druck in das geschmolzene Werkstückmetall hinein diffundieren, haben herkömmliche Fertigungsprozeduren das Bilden von Ritzen durch Laser oder die mechanische Ausbildung von Dellen an mindestens einem der sich gegenüberliegenden Werkstücke aus Stahl an jeder Stoßschnittstelle gefordert, an der eine zinkbasierte Beschichtung vorhanden ist, bevor das Laserschweißen ausgeführt wird. Die Prozesse der Ritzenbildung durch Laser oder des mechanischen Ausbildens von Dellen erzeugen voneinander beabstandete vorspringende Merkmale, die einen Spalt von etwa 0,1 - 0,2 Millimeter zwischen den Stoßflächen erzeugen, welcher einen Fluchtweg bereitstellt, um Zinkdämpfe entlang der ausgebildeten Stoßschnittstelle und vom Schweißort wegzuleiten. Das Ausbilden dieser vorspringenden Merkmale fügt jedoch einen zusätzlichen Schritt zum Laserschweiß-Gesamtprozess hinzu und man vermutet, dass diese zum Auftreten von Schweißverbindungen mit Hinterschneidungen beitragen.
Werkstücke aus Leichtmetall, etwa Werkstücke aus Aluminium und Magnesium, sind aufgrund ihrer hohen Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht und ihrer Fähigkeit zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit von Fahrzeugen ebenfalls gute Kandidaten für viele Komponententeile und Strukturen von Kraftfahrzeugen. Sowohl Werkstücke aus Aluminium als auch aus Magnesium beinhalten jedoch typischerweise eine Oberflächenoxidbeschichtung, die aus einem hitzebeständigen Oxidmaterial besteht. Allerdings ist die Oberflächenoxidbeschichtung, die auf Werkstücken aus Aluminium und Magnesium anzutreffen ist, typischerweise eine natürliche hitzebeständige Oxidbeschichtung, die thermisch und elektrisch isoliert sowie mechanisch zäh ist. Da die Oberflächenoxidbeschichtung schwer aufzubrechen ist und ein schlechter Wärmeleiter ist, kann sie die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung in die darunterliegende Masse aus Aluminium oder Magnesium hinein zumindest am Beginn des Laserschweißprozesses niederhalten. Darüber hinaus können die Oberflächenoxidbeschichtung und Feuchtigkeit aus der unmittelbaren Umgebung eine Quelle für Wasserstoff und/oder Wasserdampf sein, wenn die Oberflächenoxidbeschichtung von dem Laserstrahl auf erhöhte Temperaturen erwärmt wird. Insbesondere Wasserstoff verfügt über eine relativ hohe Lösbarkeit sowohl in Aluminiumschmelze als auch in Magnesiumschmelze, nicht aber in Festaluminium und Festmagnesium. Aus diesem Grund kann die lokale Erzeugung von Wasserstoff in nächster Nähe des Laserstrahls und das Vorhandensein von Oxidbeschichtungsfragmenten in dem geschmolzenen Werkstückmetall zu Porositäten in der endgültigen erstarrten Laserschweißverbindung führen, da Wasserstoff beim Abkühlen und Erstarren von dem geschmolzenen Werkstückmetall abgestoßen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet, kann mehrere Schritte aufweisen. In einem Schritt wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet. Die sich überlappenden Werkstücke aus Metall umfassen ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall, das sich mit dem ersten Werkstück aus Metall in einer Schweißregion überlappt. Das erste Werkstück aus Metall stellt eine Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion bereit, und das zweite Werkstück aus Metall stellt eine Unterseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion bereit. Alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel sind Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium. In einem weiteren Schritt wird ein Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion gelenkt. Der Laserstrahl weist einen Strahlpunkt an der Oberseite des Werkstückstapels auf und ist so manövrierbar, dass der Strahlpunkt relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels bewegt werden kann. In noch einem weiteren Schritt wird eine Laserschweißverbindung ausgebildet, die sich von dem ersten Werkstück aus Metall in das zweite Werkstück aus Metall hineinerstreckt, um die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels autogen miteinander zu verschweißen. Das Ausbilden der Laserschweißverbindung beinhaltet das Voranbewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung, um eine längliche Schmelzpfütze auszubilden, und dann das Voranbewegen des Strahlpunkts des Laserstrahls entlang einer zweiten Schweißstrecke in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, während sich die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet. Die erste Schweißstrecke und die zweite Schweißstrecke überlappen sich so, dass der Strahlpunkt des Laserstrahls durch die längliche Schmelzpfütze hindurch befördert wird, wenn der Strahlpunkt entlang der zweiten Schweißstrecke voranbewegt wird.
Die vorstehend erwähnte Ausführungsform des Laserschweißverfahrens kann an verschiedenen Typen von Werkstückstapeln praktiziert werden. Zum Beispiel kann das erste Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweisen und das zweite Werkstück aus Metall kann eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweisen. Zudem kann die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Metall die Oberseite des Werkstückstapels bereitstellen und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Metall kann die Unterseite des Werkstückstapels bereitstellen. Darüber hinaus können sich die erste und zweite Stoßfläche der ersten und zweiten Werkstücke aus Metall überlappen und einander gegenüberliegen, um eine Stoßschnittstelle auszubilden.
In einem weiteren Beispiel kann das erste Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweisen, und das zweite Werkstück aus Metall kann eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweisen. Zudem kann die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Metall die Oberseite des Werkstückstapels bereitstellen und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Metall kann die Unterseite des Werkstückstapels bereitstellen. Der Werkstückstapel kann ferner ein drittes Werkstück aus Metall umfassen, das sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall befindet. Das dritte Werkstück aus Metall kann einander entgegengesetzte dritte und vierte Stoßflächen aufweisen. Die dritte Stoßfläche kann sich mit der ersten Stoßfläche des ersten Werkstücks aus Metall überlappen und dieser gegenüberliegen, um eine erste Stoßschnittstelle auszubilden, und die vierte Stoßfläche kann sich mit der zweiten Stoßfläche des zweiten Werkstücks aus Metall überlappen und dieser gegenüberliegen, um eine zweite Stoßschnittstelle auszubilden.
Auch die Zusammensetzung der Werkstücke aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, kann variieren. In einem Szenario sind alle Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel Werkstücke aus Stahl. Wenn alle Werkstücke aus Metall Werkstücke aus Stahl sind, kann außerdem mindestens eines der in dem Werkstückstapel enthaltenen Werkstücke aus Stahl eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung umfassen. In einem anderen Szenario sind alle Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel Werkstücke aus Aluminium.
Die vorstehend erwähnte Ausführungsform des Laserschweißverfahrens kann zusätzliche Schritte beinhalten oder kann weiter definiert werden. In einer Implementierung kann der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang der ersten Schweißstrecke von einer ersten festgelegten Stelle zu einer davon beabstandeten zweiten festgelegten Stelle voranbewegt werden und kann dann entlang der zweiten Schweißstrecke von der zweiten festgelegten Stelle zu der ersten festgelegten Stelle voranbewegt werden. In einer anderen Implementierung kann die erste Schweißstrecke eine mittlere Profillinie und seitliche Variationen über und unter der mittleren Profillinie beinhalten. Die erste Schweißstrecke kann ferner einen Oberflächenbereich aufweisen, der einen breiten Streifen der Oberseite des Werkstückstapels bedeckt, welcher durch ein Produkt aus einer Längendimension der ersten Schweißstrecke und einer Breitendimension der ersten Schweißstrecke definiert ist. In noch anderen Implementierungen kann die erste Schweißstrecke eine periodische Wellenform, ein Band aus einer Reihe von versetzten, sich schneidenden Kreisen oder ein Band aus einer kontinuierlichen Reihe von Schleifen sein. Und in anderen Implementierungen kann die zweite Schweißstrecke linear und innerhalb des Oberflächenbereichs der ersten Schweißstrecke enthalten sein.
Das Verfahren kann den zusätzlichen Schritt des Voranbewegens des Laserstrahls entlang einer dritten Schweißstrecke beinhalten, welche sich sowohl mit der ersten Schweißstrecke als auch der zweiten Schweißstrecke überlappt, um die Laserschweißverbindung mit einer Oberseite bereitzustellen, die einer Oberflächenrauheit (Ra) von 15 µm oder weniger aufweist. Diesbezüglich kann der Laserstrahl entlang der dritten Schweißstrecke voranbewegt werden, ohne dass ein Schlüsselloch vorhanden ist, während sich die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, so dass der Laserstrahl auf eine Oberseite der länglichen Schmelzpfütze auftrifft und Wärme in einen oberen Bereich der länglichen Schmelzpfütze einbringt, um die Abkühlgeschwindigkeit der Oberseite der länglichen Schmelzpfütze zu verlangsamen, so dass die Oberseite der Laserschweißverbindung beim Erstarren geglättet wird. Oder der Laserstrahl kann als weitere Option entlang der dritten Schweißstrecke voranbewegt werden, nachdem die längliche Schmelzpfütze vollständig zu der Laserschweißverbindung erstarrt ist, so dass der Laserstrahl auf die Oberseite der Laserschweißverbindung auftrifft und einen oberen Bereich der Laserschweißverbindung kurzzeitig erneut schmelzen lässt, so dass die Oberseite der Laserschweißverbindung beim Erstarren geglättet wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet, umfasst mehrere Schritte. In einem Schritt wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet. Die sich überlappenden Werkstücke aus Metall umfassen ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall, das sich mit dem ersten Werkstück aus Metall in einer Schweißregion überlappt. Das erste Werkstück aus Metall stellt eine Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion bereit, und das zweite Werkstück aus Metall stellt eine Unterseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion bereit. Die sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel sind alle Werkstücke aus Stahl oder alle Werkstücke aus Aluminium. In einem weiteren Schritt wird eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben, um einen Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion zu lenken. Der Laserstrahl weist einen Strahlpunkt auf der Oberseite des Werkstückstapels auf. In noch einem weiteren Schritt wird die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben, um den Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung voranzubewegen, um eine längliche Schmelzpfütze auszubilden. Die erste Schweißstrecke weist einen Oberflächenbereich auf, der einen breiten Streifen der Oberseite des Werkstückstapels bedeckt. Bei noch einem weiteren Schritt wird die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben, um den Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer zweiten Schweißstrecke in eine zweite Richtung voranzubewegen, die zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist, während sich die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, so dass der Strahlpunkt des Laserstrahls durch die längliche Schmelzpfütze hindurch zurückbefördert wird. Die zweite Schweißstrecke ist in dem Oberflächenbereich der ersten Schweißstrecke enthalten. Und in noch einem weiteren Schritt wird der Laserstrahl entfernt, um zu ermöglichen, dass die längliche Schmelzpfütze zu einer Laserschweißverbindung erstarrt, die sich von dem ersten Werkstück aus Metall in das zweite Werkstück aus Metall hinein erstreckt, um die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels miteinander autogen zu verschweißen.
Die vorstehend erwähnte Ausführungsform des Laserschweißverfahrens kann zusätzliche Schritte beinhalten oder kann weiter definiert werden. Zum Beispiel können die in dem Werkstückstapel enthaltenen Werkstücke aus Metall nur das erste und zweite Werkstück aus Metall beinhalten, oder die in dem Werkstückstapel enthaltenen Werkstücke aus Metall können ferner ein drittes Werkstück aus Metall beinhalten, das sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall in der Schweißregion befindet. Als weiteres Beispiel kann die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben werden, um den Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer dritten Schweißstrecke voranzubewegen, entweder bevor oder nachdem die längliche Schmelzpfütze zu der Laserschweißverbindung erstarrt ist, um die Laserschweißverbindung mit einer glatten Oberseite zu versehen. Als noch ein weiteres Beispiel kann die erste Schweißstrecke eine periodische Wellenform sein und die zweite Schweißstrecke kann linear sein. Des Weiteren kann in noch einem weiteren Beispiel die längliche Schmelzpfütze vergrößert werden, wenn der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang der zweiten Schweißstrecke voranbewegt wird.
Eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, umfasst mehrere Schritte. In einem Schritt wird ein Werkstückstapel bereitgestellt, der sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet. Die sich überlappenden Werkstücke aus Metall umfassen mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall, das sich mit dem ersten Werkstück aus Metall in einer Schweißregion überlappt. Das erste Werkstück aus Metall stellt eine Oberseite des Werkstückstapels in der Schweißregion bereit, und das zweite Werkstück aus Metall stellt eine Unterseite des Werkstückstapels in der Schweißregion bereit. Die sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel sind alle Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium. In einem weiteren Schritt wird ein Strahlpunkt eines Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung voranbewegt, um eine längliche Schmelzpfütze auszubilden. Die erste Schweißstrecke beinhaltet eine mittlere Profillinie und seitliche Variationen über und unter der mittleren Profillinie und sie weist ferner einen Oberflächenbereich auf, der einen breiten Streifen der Oberseite des Werkstückstapels bedeckt. In noch einem weiteren Schritt wird der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer zweiten Schweißstrecke in eine zweite Richtung voranbewegt, die zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist, während sich die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, um den Schweißpunkt durch die längliche Schmelzpfütze hindurch zurückzubefördern. Die zweite Schweißstrecke überlappt sich mit der ersten Schweißstrecke derart, dass mindestens 80% der zweiten Schweißstrecke in dem Oberflächenbereich der ersten Schweißstrecke enthalten ist. Und in noch einem weiteren Schritt wird der Laserstrahl entfernt, um zu ermöglichen, dass die längliche Schmelzpfütze vollständig zu einer Laserschweißverbindung erstarrt, die sich von dem ersten Werkstück aus Metall aus in das zweite Werkstück aus Metall hinein erstreckt, um die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels miteinander autogen zu verschweißen. Die Laserschweißverbindung weist eine Oberseite auf, die eine Oberflächenrauheit (Ra) von 10 µm oder weniger aufweist.
Figurenliste

1 ist eine allgemeine Darstellung eines Werkstückstapels, der zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet, zusammen mit einer Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne, welche das offenbarte Laserschweißverfahren ausführen kann;
2 ist eine vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten Laserstrahls, die einen Brennpunkt und eine Längsachse des Laserstrahls zeigt;
3 ist eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Werkstückstapels zusammen mit einem Schlüsselloch und einem dieses umgebenden Schmelzbad aus Metallschmelze, die auf das Richten des Laserstrahls auf die Oberseite des Werkstückstapels hin, so dass der Laserstrahl auf die Oberseite auftrifft, erzeugt worden sind;
4 ist eine Draufsicht auf die Oberseite des Werkstückstapels und auf den in 1 gezeigten Laserstrahl, während ein Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung voranbewegt wird, um eine längliche Schmelzpfütze innerhalb des Werkstückstapels auszubilden;
5 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der länglichen Schmelzpfütze, die in 4 gezeigt sind, entlang von Schnittlinien 5-5;
6 ist eine Draufsicht auf die Oberseite des Werkstückstapels und auf den Laserstrahl, die in 1 gezeigt sind, während ein Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer zweiten Schweißstrecke in eine zweite Richtung voranbewegt wird, welche in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entgegengesetzt zu der ersten Richtung orientiert ist, um den Laserstrahl durch die längliche Schmelzpfütze hindurch zurück zu befördern, die zuvor innerhalb des Werkstückstapels erzeugt wurde, indem der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang der ersten Schweißstrecke voranbewegt wurde;
7 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der länglichen Schmelzpfütze, die in 6 gezeigt sind, entlang von Schnittlinien 7-7;
8 ist eine Draufsicht auf die erste Schweißstrecke, die auf die Oberseite des Werkstückstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung projiziert wird;
9 ist eine Draufsicht auf die erste Schweißstrecke, die auf die Oberseite des Werkstückstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung projiziert wird;
10 ist eine Draufsicht auf die erste Schweißstrecke, die auf die Oberseite des Werkstückstapels gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung projiziert wird;
11 ist eine Draufsicht auf die erste Schweißstrecke, die auf die Oberseite des Werkstückstapels gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung projiziert wird;
12 ist eine Draufsicht auf die erste Schweißstrecke, die auf die Oberseite des Werkstückstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung projiziert wird;
13 ist eine Draufsicht auf die erste Schweißstrecke, die auf die Oberseite des Werkstückstapels gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung projiziert wird;
14 ist eine Fotografie eines vergrößerten Querschnitts einer Schweißverbindung, die zwischen zwei Werkstücken aus Leichtmetall gemäß herkömmlichen Laserschweißpraktiken ausgebildet wurde, welche ein Vorbewegen des Laserstrahls entlang zumindest erster und zweiter Schweißstrecken nicht verwenden, wie es in dem Laserschweißverfahren dieser Offenbarung offengelegt ist;
15 ist eine Fotografie eines vergrößerten Querschnitts einer Schweißverbindung, die zwischen zwei Werkstücken aus Leichtmetall gemäß Praktiken des offenbarten Laserschweißverfahrens ausgebildet ist;
16 ist eine Draufsicht auf den Werkstückstapel und eine Laserschweißverbindung, die aus der länglichen Schmelzpfütze im Anschluss an das Entfernen des Laserstrahls von dem Werkstückstapel erstarrt ist, nachdem er entlang der ersten und zweiten Schweißstrecke voranbewegt wurde;
17 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der Schweißverbindung, die in 16 gezeigt sind, entlang von Schnittlinien 17-17;
18 ist eine Draufsicht auf den Werkstückstapel und den Laserstrahl, die in 1 gezeigt sind, während ein Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer dritten Schweißstrecke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung voranbewegt wird, um den Laserstrahl nochmal zurück durch die längliche Schmelzpfütze hindurch zu befördern, nachdem der Strahlpunkt entlang der zweiten Schweißstrecke voranbewegt wurde, um eine glatte Oberseite der Laserschweißverbindung bereitzustellen;
19 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der länglichen Schmelzpfütze, die in 18 gezeigt sind, entlang von Schnittlinien 19-19.
20 ist eine Draufsicht auf den Werkstückstapel und den Laserstrahl, die in 1 gezeigt sind, während ein Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer dritten Schweißstrecke gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung voranbewegt wird, nachdem die Laserschweißverbindung aus der länglichen Schmelzpfütze erstarrt ist, um die Oberseite der Laserschweißverbindung erneut schmelzen zu lassen und eine glatte Oberseite der Laserschweißverbindung bereitzustellen;
21 ist eine Querschnittsansicht des Werkstückstapels und der länglichen Schmelzpfütze, die in 20 gezeigt sind, entlang von Schnittlinien 21-21;
22 ist eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Werkstückstapels gemäß einer anderen Ausführungsform, bei der der Stapel drei Werkstücke aus Metall anstelle von zwei beinhaltet, und die ferner den in 1 gezeigten Laserstrahl darstellt, während ein Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung voranbewegt wird, um eine längliche Schmelzpfütze innerhalb des Werkstückstapels auszubilden; und
23 ist eine Querschnittsansicht des gleichen in 22 gezeigten Werkstückstapels, nachdem die Laserschweißverbindung aus der länglichen Schmelzpfütze im Anschluss an das Entfernen des Laserstrahls von dem Werkstückstapel, nachdem er entlang der ersten und zweiten Schweißstrecke voranbewegt wurde, erstarrt ist.

GENAUE BESCHREIBUNG
Das offenbarte Verfahren zum Laserschweißen von zwei oder mehr gestapelten Werkstücken aus Metall beinhaltet das Voranbewegen eines Laserstrahls - und insbesondere des Strahlpunkts des Laserstrahls - relativ zu einer Oberseite des Werkstückstapels entlang mehrerer sich überlappender Schweißpfade während der Ausbildung der endgültigen Laserschweißverbindung. Jede der mehreren Schweißstrecken kann einer speziellen Funktion dienen, wenn der Laserstrahl diesen folgt, welche zu der Integrität und Qualität der Laserschweißverbindung beitragen, und beispielsweise das anfängliche Ausbilden von eindringendem geschmolzenen Werkstückmaterial in der Form einer länglichen Schmelzpfütze, das Bearbeiten der länglichen Schmelzpfütze nach deren Ausbildung und optional das Aufbereiten der Schmelzpfütze und/oder der erstarrten Laserschweißverbindung beinhaltet, um die Laserschweißverbindung mit einer glatten Oberseite zu versehen. Durch Ausführen des Laserschweißverfahrens auf diese Weise - im Gegensatz zum Voranbewegen des Laserstrahls nur einmal entlang eines einzigen Strahlbewegungsmusters - kann die Laserschweißverbindung in einer überlegteren und effizienteren Weise ausgebildet werden, indem jede der mehreren verfolgten Schweißstrecken verwendet wird, um gemeinsam das Auftreten von Schweißdefekten wie etwa Porositäten sowie anderer Laserschweißdefekte zu minimieren.
Das Voranbewegen des Laserstrahls entlang der mehreren Schweißstrecken nach Bedarf zum Ausbilden der Laserschweißverbindung kann durch eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne ausgeführt werden, die einen optischen Laserabtastkopf beinhaltet. Der optische Laserabtastkopf kann indizierbare optische Komponenten beherbergen, welche den Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu und entlang der Oberseite des Werkstückstapels in einer großen Vielfalt von einfachen und komplexen geometrischen Formen oder Schweißstrecken bewegen können, wobei sie auch in der Lage sind, bei Bedarf die Brennpunktposition des Laserstrahls zu verändern. Die gleiche Art von Voranbewegen des Laserstrahls kann auch von einer herkömmlichen Laserschweißvorrichtung ausgeführt werden, wie zum Beispiel von einer Vorrichtung, bei der ein feststehender Laserkopf von einer Hochgeschwindigkeits-CNC-Maschine getragen wird, sowie von anderen Typen von Laserschweißvorrichtungen, die vergleichbare Funktionalitäten besitzen. Der zum Ausbilden der Laserschweißverbindung verwendete Laserstrahl kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Werkstücke aus Metall, die zusammengefügt werden, und des gewünschten zu praktizierenden Laserschweißmodus (Wärmeleitung, Schlüsselloch, usw.) ein Festkörper-Laserstrahl oder ein Gas-Laserstrahl sein. Einige erwähnenswerte Festkörperlaser, die verwendet werden können, sind ein Faserlaser, ein Scheibenlaser, ein Direkt-Dioden-Laser und ein Nd:YAG-Laser, und ein erwähnenswerter Gaslaser, der verwendet werden kann, ist ein CO₂-Laser, obwohl selbstverständlich andere Arten von Lasern verwendet werden können.
Das offenbarte Verfahren zum Verschweißen von zwei oder mehr Werkstücken aus Metall durch Laser kann an einer Vielfalt von Werkstückstapelkonfigurationen ausgeführt werden. Beispielsweise kann das offenbarte Verfahren in Verbindung mit einem „2T“-Werkstückstapel verwendet werden, das zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet, oder es kann in Verbindung mit einem „3T“-Werkstückstapel verwendet werden, der drei sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet. Des Weiteren kann das offenbarte Verfahren in einigen Fällen in Verbindung mit einem (nicht gezeigten) „4T“-Werkstückstapel verwendet werden, der vier sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet. Die zwei oder mehr in dem Werkstückstapel enthaltenen Werkstücke aus Metall können alle Werkstücke aus Stahl, alle Werkstücke aus Aluminium oder alle Werkstücke aus Magnesium sein und sie müssen nicht unbedingt die gleiche Zusammensetzung (innerhalb der gleichen Basismetallklasse) oder die gleiche Dicke wie die anderen im Stapel aufweisen. Das offenbarte Verfahren wird auf im Wesentlichen die gleiche Weise ausgeführt, um die gleichen Ergebnisse unabhängig davon zu erzielen, ob der Werkstückstapel zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall oder mehr als zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall beinhaltet. Irgendwelche Unterschiede bei den Werkstückstapelkonfigurationen können durch Justieren der Eigenschaften des Betriebslaserstrahls leicht ausgeglichen werden.
Nun mit Bezugnahme allgemein auf 1 ist ein Werkstückstapel 10 gezeigt, wobei der Stapel 10 mindestens ein erstes Werkstück 12 aus Metall und ein zweites Werkstück 14 aus Metall beinhaltet, die sich überlappen, um eine Schweißregion 16 zu definieren. Eine Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne, welche das offenbarte Werkstückfügeverfahren ausführen kann, ist ebenfalls gezeigt. Innerhalb der Grenzen der Schweißregion 16 stellen das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall eine Oberseite 20 bzw. eine Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 ist für die Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne verfügbar und ist für einen Laserstrahl 24 zugänglich, der aus der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne austritt. Und da nur ein Zugang von einer einzigen Seite benötigt wird, um das Laserschweißen durchzuführen, besteht keine Notwendigkeit, dass die Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 auf die gleiche Weise zur Verfügung gestellt wird. Die Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ sind, so wie sie hier verwendet werden, Relativbezeichnungen, die die Oberfläche des Stapels 10 (Oberseite), die der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne näher liegt und dieser zugewandt ist, und die Oberfläche des Stapels 10 (Unterseite) bezeichnen, die in die entgegengesetzte Richtung weist.
Der Werkstückstapel 10 kann nur das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall beinhalten, wie in 1 - 21 gezeigt ist. Unter diesen Umständen, und wie in 3 am besten gezeigt ist, beinhaltet das erste Werkstück 12 aus Metall eine Außenfläche 26 und eine erste Stoßfläche 28, und das zweite Werkstück 14 aus Metall beinhaltet eine Außenfläche 30 und eine zweite Stoßfläche 32. Die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall stellt die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 bereit, und die Außenfläche 30 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall stellt die entgegengesetzt gerichtete Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 bereit. Und da die beiden Werkstücke 12, 14 aus Metall zumindest in dieser Ausführungsform die einzigen Werkstücke sind, die in dem Werkstückstapel 10 vorhanden sind, überlappen sich die erste und zweite Stoßfläche 28, 32 der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall und liegen einander innerhalb der Schweißregion 16 gegenüber, um eine Stoßschnittstelle 34 auszubilden. In anderen Ausführungsformen, von denen eine nachstehend in Verbindung mit 22 - 23 beschrieben wird, kann der Werkstückstapel 10 ein zusätzliches drittes Werkstück aus Metall beinhalten, das sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall befindet, um den Stapel 10 mit drei Werkstücken aus Metall innerhalb der Schweißregion 16 anstelle von zwei bereitzustellen.
Der Begriff „Stoßschnittstelle“ wird in der vorliegenden Offenbarung häufig verwendet und soll einen großen Bereich von Überlappungsbeziehungen zwischen den einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Stoßflächen 28, 32 des ersten und zweiten Werkstücks 12, 14 aus Metall umfassen, die der Praxis des Laserschweißens Platz bieten können. Zum Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 ausbilden, indem sie in direktem oder indirektem Kontakt stehen. Die Stoßflächen 28, 32 sind in direktem Kontakt miteinander, wenn sie physikalisch aneinander angrenzen und nicht durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht oder durch Lücken getrennt sind, die nicht in gängige Montagetoleranzbereiche fallen. Die Stoßflächen 28, 32 stehen in indirektem Kontakt miteinander, wenn sie durch eine diskrete dazwischenliegende Materialschicht wie etwa eine Dichtung oder einen Klebstoff getrennt sind - und folglich nicht die Art von Schnittstellenaneinandergrenzung zeigen, die für einen direkten Kontakt typisch sind - jedoch nahe genug beieinander liegen, dass das Laserschweißen praktiziert werden kann. Als weiteres Beispiel können die Stoßflächen 28, 32 die Stoßschnittstelle 34 dadurch ausbilden, dass sie durch auferlegte Spalte getrennt werden. Diese Spalte können zwischen den Stoßflächen 28, 32 auferlegt werden, indem vorspringende Merkmale auf einer oder beiden Stoßflächen 28, 32 durch Laserritzen, mechanisches Ausbilden von Dellen oder anderweitig erzeugt werden. Die vorspringenden Merkmale halten intermittierende Kontaktpunkte zwischen den Stoßflächen 28, 32 aufrecht, welche die Oberflächen 28, 32 außerhalb von und um die Kontaktpunkte herum um bis zu 1,0 mm voneinander beabstandet halten.
Immer noch mit Bezug auf 3 beinhaltet das erste Werkstück 12 aus Metall eine erste Basismetallschicht 36, und das zweite Werkstück 14 aus Metall beinhaltet eine zweite Basismetallschicht 38. Die erste und zweite Basismetallschicht 36, 38 können alle aus Stahl, Aluminium oder Magnesium bestehen; das heißt, dass die erste und zweite Basismetallschicht 36, 38 beide aus Stahl, beide aus Aluminium oder beide aus Magnesium bestehen. Mindestens eine der ersten oder zweiten Basismetallschichten 36, 38 und für gewöhnlich beide Basismetallschichten 36, 38 beinhalten eine Oberflächenbeschichtung 40. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann auf einer oder beiden Basismetallschichten 36, 38 aus verschiedenen Gründen verwendet werden, welche neben weiteren Gründen Korrosionsschutz, Festigkeitsverbesserung und/oder Verarbeitungsverbesserung beinhalten, und die Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung 40 beruht zu großen Teilen auf der Zusammensetzung der darunterliegenden Basismetallschichten 36, 38. Wenn man die Dicke der Basismetallschichten 36, 38 und deren optionaler Oberflächenbeschichtungen 40 berücksichtigt, liegt jede der Dicken 121 des ersten Werkstücks 12 aus Metall und der Dicke 141 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, zumindest innerhalb der Schweißregion 16. Die Dicken 112, 141 der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall können gleich oder voneinander verschieden sein.
Die Basismetallschichten 36, 38 können eine einer großen Vielfalt von Metallformen und Zusammensetzungen annehmen, die in die allgemein genannten Basismetallgruppen aus Stahl, Aluminium oder Magnesium fallen. Wenn die Basismetallschichten 36, 38 beispielsweise aus Stahl bestehen (die für den Moment als die erste und zweite Basisstahlschicht 36, 38 bezeichnet werden), können sie alle separat aus beliebigen einer großen Vielfalt von Stählen bestehen, die einen kohlenstoffarmen Stahl (Mild-Stahl), einen Stahl ohne interstitiell eingelagerte Legierungselemente (IF-Stahl), einen Bake-Hardening-Stahl, einen Stahl mit hoher Festigkeit und geringen Legierungsanteilen (HSLA-Stahl), einen Zweiphasenstahl (DP-Stahl), einen Komplexphasenstahl (CP-Stahl), einen Martensit-Stahl (MART-Stahl), einen Stahl mit transformationsinduzierter Plastizität (TRIP-Stahl), einen Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität (TWIP-Stahl) und einen Bor-Stahl beinhaltet, etwa wenn die Werkstücke 12, 14 einen pressgehärteten Stahl (PHS-Stahl) beinhalten. Darüber hinaus kann jede der ersten und zweiten Basisstahlschichten 36, 38 behandelt worden sein, um einen speziellen Satz von mechanischen Eigenschaften zu erhalten, was umfasst, dass sie einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wurden, etwa Glühen, Abschrecken und/oder Tempern. Die ersten und zweiten Basisstahlschichten 36, 38 können auf ihre endgültige Dicke warm- oder kaltgewalzt sein und sie können vorgefertigt sein, um ein spezielles Profil aufzuweisen, das zur Montage in dem Werkstückstapel 10 geeignet ist.
Die auf einer oder beiden der Basisstahlschichten 36, 38 vorhandene Oberflächenbeschichtung 40 besteht vorzugsweise aus einem zinkbasierten Material oder einem aluminiumbasierten Material. Einige Beispiele für ein zinkbasiertes Material umfassen Zink oder eine Zinklegierung, wie etwa eine Zink-Nickel-Legierung oder eine Zink-Eisen-Legierung. Eine besonders bevorzugte Zink-Eisen-Legierung, die verwendet werden kann, weist eine durchschnittliche Massenzusammensetzung auf, die 8 bis 12 % Gewichtsanteil Eisen und 0,5 bis 4 % Gewichtsanteil Aluminium beinhaltet, wobei der Rest (in Gewichtsanteilen) Zink ist. Eine Beschichtung aus einem zinkbasierten Material kann durch Feuerverzinken (feuerverzinkte Zinkbeschichtung), Elektro-Galvanisierung (elektrogalvanisierte Zinkbeschichtung) oder Galvannealing (Galvanneal-Zink-Eisen-Legierung) aufgebracht werden, typischerweise bis zu einer Dicke zwischen 2 µm und 50 µm, obwohl andere Prozeduren und Dicken der erreichten Beschichtungen verwendet werden können. Einige Beispiele für ein geeignetes aluminiumbasiertes Material umfassen Aluminium, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Zink-Legierung und eine Aluminium-Magnesium-Legierung. Eine Beschichtung aus einem aluminiumbasierten Material kann durch Tauchbeschichtung typischerweise bis zu einer Dicke von 2 µm bis 30 µm aufgebracht werden, obwohl andere Beschichtungsprozeduren und Dicken der erreichten Beschichtungen verwendet werden können. Wenn man die Dicken der Basisstahlschichten 36, 38 und deren optionale Oberflächenbeschichtungen 40 berücksichtigt, liegt die Gesamtdicke jedes der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Stahl innerhalb der Schweißregion 16 vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 mm bis 4,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 2,0 mm.
Wenn die ersten und zweiten Basismetallschichten 36, 38 aus Aluminium bestehen, kann jede der Basismetallschichten 36, 38 (für den Moment als erste und zweite Basisaluminiumschichten 36, 38 bezeichnet) separat aus unlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Gewichtsanteil Aluminium beinhaltet. Einige erwähnenswerte Aluminiumlegierungen, welche die erste und/oder zweite Basisaluminiumschicht 36, 38 bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung oder eine Aluminium-Zink-Legierung. Zudem kann jede der Basisaluminiumschichten 36, 38 separat in geschmiedeter oder gegossener Form bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann jede der Basisaluminiumschichten 36, 38 aus einer Schicht eines geschmiedeten Aluminiumlegierungsblechs der Serie 4xxx, 5xxx, 6xxx oder 7xxx, einem extrudierten, geschmiedeten oder anderweitig bearbeiteten Artikel, oder einem Aluminiumlegierungsguss der Serie 4xx.x, 5xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige speziellere Arten von Aluminiumlegierungen, die als die erste und/oder zweite Basisaluminiumschicht 36, 38 verwendet werden können, umfassen eine Aluminium-Magnesium-Legierung AA5182 und AA5754, eine Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung AA6011 und AA6022, eine Aluminium-Zink-Legierung AA7003 und AA7055 und eine Aluminiumdruckgusslegierung AI-10Si-Mg. Die erste und/oder zweite Basisaluminiumschicht 36, 38 können in einer Vielfalt von Härtegraden verwendet werden, die abgeschreckt (O), kaltgehärtet (H) und lösungsgeglüht (T) umfassen.
Die auf einer oder beiden Basisaluminiumschichten 36, 38 vorhandene Oberflächenbeschichtung 40 kann eine natürliche hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die aus Aluminiumoxidbestandteilen besteht, die sich passiv ausbilden, wenn Rohaluminium der Basisaluminiumschicht 36, 38 Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Beschichtung sein, die aus Zink oder Zinn besteht, oder sie kann eine Metalloxid-Umwandlungsbeschichtung sein, die aus Titan-, Zirkon-, Chrom- oder Siliziumoxiden besteht, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nr. US 2014/0360986 offenbart ist. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt im Bereich von 1 nm bis 10 µm in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Weise, auf welche die Beschichtung 40 hergeleitet wurde, obwohl andere Dicken verwendet werden können. Passiv ausgebildete hitzebeständige Oxidbeschichtungen weisen beispielsweise oft Dicken auf, die in einem Bereich von 2 nm bis 10 nm liegen, wenn das darunterliegende Aluminiummaterial eine Aluminiumlegierung ist. Wenn man die Dicke der Basisaluminiumschichten 36, 38 und deren optionaler Oberflächenbeschichtungen 40 berücksichtigt, liegt die Gesamtdicke jedes der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Aluminium innerhalb der Schweißregion 16 vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm.
Wenn die erste und zweite Basismetallschicht 36, 38 aus Magnesium bestehen, kann jede der Basismetallschichten 36, 38 (die für den Moment als die erste und zweite Basismagnesiumschicht 36, 38 bezeichnet werden) separat aus nicht legiertem Magnesium oder einer Magnesiumlegierung bestehen, die mindestens 85% Gewichtsanteil Magnesium beinhaltet. Einige erwähnenswerte Magnesiumlegierungen, die die erste und/oder zweite Basismagnesiumschicht 36, 38 bilden können, sind eine Magnesium-Zink-Legierung, eine Magnesium-AluminiumLegierung, eine Magnesium-Aluminium-Zink-Legierung, eine Magnesium-Aluminium-Silizium-Legierung und eine Magnesium-Seltenerden-Legierung. Zudem kann jede der Basismagnesiumschichten 36, 38 separat in geschmiedeter (Blech, Extrusion, Schmieden oder anderweitig bearbeiteter Artikel) oder gegossener Form bereitgestellt sein. Ein paar spezielle Beispiele für Magnesiumlegierungen, die als die erste und/oder zweite Basismagnesiumschicht 36, 38 verwendet werden können, beinhalten ohne Einschränkung eine Druckguss- oder geschmiedete (extrudiert oder Blech) Magnesiumlegierung AZ91D, eine Druckguss- oder extrudierte (extrudiert oder Blech) Magnesiumlegierung AZ31B und eine Druckguss-Magnesiumlegierung AM60B. Die erste und/oder zweite Basismagnesiumschicht 36, 38 können in einer Vielfalt von Härtegraden verwendet werden, die abgeschreckt (O), kaltgehärtet (H) und lösungsgeglüht (W) beinhalten.
Die auf einer oder beiden der Basismagnesiumschichten 36, 38 vorhandene Oberflächenbeschichtung 40 kann eine natürliche hitzebeständige Oxidbeschichtung sein, die aus Magnesiumoxidbestandteilen (und möglicherweise Magnesiumhydroxidbestandteilen) besteht, die sich passiv ausbildet, wenn Rohmagnesium von der Basismagnesiumschicht 36, 38 der Umgebungsluft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Medium ausgesetzt wird. Die Oberflächenbeschichtung 40 kann auch eine metallische Umwandlungsbeschichtung sein, die aus Metalloxiden, Metallphosphaten oder Metallchromaten besteht. Eine typische Dicke der Oberflächenbeschichtung 40, falls vorhanden, liegt im Bereich von 1 nm bis 10 µm in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtung 40 und der Weise, auf welche die Beschichtung 40 hergeleitet wurde, obwohl andere Dicken verwendet werden können. Passiv ausgebildete hitzebeständige Oxidbeschichtungen weisen beispielsweise oft Dicken auf, die in einem Bereich von 2 nm bis 10 nm liegen, wenn das darunterliegende Magnesiummaterial eine Magnesiumlegierung ist. Wenn man die Dicken der Basismagnesiumschichten 36, 38 und deren optionaler Oberflächenbeschichtungen 40 berücksichtigt, liegt die Gesamtdicke von jedem der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Magnesium innerhalb der Schweißregion 16 vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 mm bis 6,0 mm, oder enger gefasst von 0,5 mm bis 3,0 mm.
Wieder mit Bezug auf 1 beinhaltet die Vorrichtung 18 vom Laserschweißen aus der Ferne einen optischen Laserabtastkopf 42. Allgemein richtet der optische Laserabtastkopf 42 die Übertragung des Laserstrahls 24 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 (auch die Außenfläche 26 des ersten Werkstücks 12 aus Metall). Der gerichtete Laserstrahl 24 weist einen Strahlpunkt 44 auf, welcher, wie in 2 gezeigt ist, die Schnittfläche des Laserstrahls 24 mit einer Ebene ist, die entlang der Oberseite 20 des Stapels 10 orientiert ist. Der optische Laserabtastkopf 42 ist vorzugsweise an einem (nicht gezeigten) Roboterarm montiert, der den Laserkopf 42 schnell und genau an viele verschiedene vorgewählte Stellen innerhalb der Schweißregion 16 in einer schnellen programmierten Abfolge tragen kann. Der in Verbindung mit dem optischen Laserabtastkopf 42 verwendete Laserstrahl 24 ist vorzugsweise ein Festkörper-Laserstrahl, der mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitet (der üblicherweise als der Bereich zwischen 700 nm und 1400 nm aufgefasst wird). Zusätzlich verfügt der Laserstrahl 24 über eine Leistungsniveaukapazität, die eine Leistungsdichte erreichen kann, die ausreicht, um innerhalb des Werkstückstapels 10 während der Ausbildung der Laserschweißverbindung auf Wunsch ein Schlüsselloch zu erzeugen. Die zum Erzeugen eines Schlüssellochs innerhalb der sich überlappenden Werkstücke 12, 14 aus Metall benötigte Leistungsdichte, liegt typischerweise zwischen 0,5 - 1,5 MW/cm² in Abhängigkeit von den Zusammensetzungen der Basismetallschichten 36, 38.
Einige Beispiele für einen geeigneten Festkörper-Laserstrahl, die in Verbindung mit der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne verwendet werden können, umfassen einen Faserlaserstrahl, einen Scheibenlaserstrahl und einen Direkt-Dioden-Laserstrahl. Ein bevorzugter Faserlaserstrahl ist ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine optische Faser ist, die mit einem Seltenerden-Element dotiert ist (z.B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium, usw.). Ein bevorzugter Scheibenlaserstrahl ist ein Diodenpumpen-Laserstrahl, bei dem das Verstärkungsmedium eine dünne Laserkristallscheibe ist, die mit einem Seltenerden-Element dotiert ist (z.B. einem Ytterbium-dotierten Yttrium-Aluminium-Granatkristall (Yb:YAG-Kristall), der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet ist) und an einem Kühlkörper montiert ist. Und ein bevorzugter Direkt-Dioden-Laserstrahl ist ein kombinierter Laserstrahl (z.B. wellenlängenkombiniert), der aus mehreren Dioden abgeleitet wird, in denen das Verstärkungsmedium aus mehreren Halbleitern besteht, etwa denjenigen, die auf Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) oder Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) beruhen. Lasergeneratoren, die jeden dieser Typen von Laser sowie andere Variationen generieren können, sind kommerziell verfügbar. Selbstverständlich können andere Festkörper-Laserstrahlen, die hier nicht speziell erwähnt sind, verwendet werden.
Der optische Laserabtastkopf 42 beinhaltet eine Anordnung von Spiegeln 46, welche den Laserstrahl 24 manövrieren können und somit den Strahlpunkt 44 entlang der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 innerhalb einer Betriebshüllkurve 48 befördern können, welche die Schweißregion 16 zumindest teilweise überspannt. Wie in 1 veranschaulicht ist, wird hier der Abschnitt der Oberseite 20, der von der Betriebshüllkurve 48 überspannt wird, als die x-y-Ebene bezeichnet, da die Position des Laserstrahls 24 innerhalb der Ebene durch die „x“- und „y“-Koordinaten eines dreidimensionalen Koordinatensystems bezeichnet wird. Zusätzlich zu der Anordnung von Spiegeln 46 beinhaltet der optische Laserabtastkopf 42 auch eine Sammellinse 50 auf der z-Achse, welche einen Brennpunkt 52 (2) des Laserstrahls 24 entlang einer Längsachse 54 des Laserstrahls 24 bewegen kann, um somit den Ort des Brennpunkts 52 in eine z-Richtung zu verändern, die rechtwinklig zu der x-y-Ebene in dem dreidimensionalen Koordinatensystem orientiert ist, das in 1 ausgebildet wurde. Um zu verhindern, dass Schmutz und Ablagerungen die Komponenten des optischen Systems und die Integrität des Laserstrahls 24 nachteilig beeinflussen, kann darüber hinaus eine Abdeckscheibe 56 unter dem optischen Laserabtastkopf 42 angeordnet sein. Die Abdeckscheibe 56 schützt die Anordnung von Spiegeln 46 und die Sammellinse 50 auf der z-Achse vor der Umgebung, erlaubt jedoch, dass der Laserstrahl 24 den optischen Laserabtastkopf 42 ohne wesentliche Störung verlassen kann.
Während des Betriebs der Vorrichtung 18 zum Laserschweißen aus der Ferne arbeiten die Anordnung von Spiegeln 46 und die Sammellinse 50 auf der z-Achse zusammen, um die gewünschte Bewegung des Laserstrahls 24 und dessen Strahlpunkts 44 innerhalb der Betriebshüllkurve 48 sowie die Position des Brennpunkts 52 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24 vorzugeben. Insbesondere beinhaltet die Anordnung von Spiegeln 46 ein Paar kippbarer Abtastspiegel 58. Jeder der kippbaren Abtastspiegel 58 ist an einem Galvanometer 60 montiert. Die beiden kippbaren Abtastspiegel 58 können durch präzise koordinierte Kippbewegungen, die von den Galvanometern 60 ausgeführt werden, den Ort des Strahlpunkts 44 an eine beliebige Stelle in der x-y-Ebene der Betriebshüllkurve 48 bewegen - und damit den Punkt verändern, an dem der Laserstrahl 24 den Werkstückstapel 10 schneidet. Gleichzeitig steuert die Sammellinse 50 auf der z-Achse den Ort des Brennpunkts 52 des Laserstrahls 24, um dazu beizutragen, dass der Laserstrahl 24 mit der korrekten Leistungsdichte angewendet wird und um die gewünschte Wärmeeingabe sowohl augenblicklich als auch über die Zeit zu erreichen. Alle diese optischen Komponenten 50, 58 können innerhalb von Millisekunden oder weniger schnell indiziert werden, um den Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 relativ zu der x-y-Ebene der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entlang der mehreren Schweißstrecken voranzubewegen, was nachstehend vollständiger beschrieben wird, während der Ort des Brennpunkts 52 gesteuert wird.
Eine Eigenschaft, die das Laserschweißen aus der Ferne von anderen herkömmlichen Formen von Laserschweißen unterscheidet, ist die Brennweite des Laserstrahls 24. Wie in 1 gezeigt ist, weist hier der Laserstrahl 24 eine Brennweite 62 auf, welche als die Distanz zwischen dem Brennpunkt 52 und dem letzten kippbaren Abtastspiegel 58 gemessen wird, der den Laserstrahl 24 unterbricht und reflektiert, bevor der Laserstrahl 24 den optischen Laserabtastkopf 42 verlässt. Die Brennweite 62 des Laserstrahls 24 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 m bis 2,0 m, wobei ein Durchmesser des Brennpunkts 52 typischerweise im Bereich von 100 µm bis 700 µm liegt. Die Brennweite sowie eine Brennpunktdistanz 64 können leicht justiert werden. Der Begriff „Brennpunktdistanz“ bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, die Distanz zwischen dem Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 und der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 entlang der Längsachse 54 des Strahls 24, wie in 2 am besten gezeigt ist. Die Brennpunktdistanz 64 des Laserstrahls 24 ist folglich 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 zu der Oberseite des Werkstückstapels positioniert ist. Wenn zur Sicherheit der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 auf der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 positioniert ist, ist die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 Null (oder „0“) und logischerweise ist auch die Brennpunktdistanz 64 Null, wie vorstehend erwähnt wurde. Wenn der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 über der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 liegt, ist die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 die Brennpunktdistanz 64, die als positiver Wert (+) beschrieben wird. Wenn der Brennpunkt 52 des Laserstrahls 24 unter der Oberseite 20 des Werkstückstapels liegt, ist analog die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 die Brennpunktdistanz 64, die als negativer Wert (-) beschrieben wird. Somit gibt die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 nicht nur eine Anzeige der Brennpunktdistanz 64, sondern auch die Richtung entlang der Längsachse 54 des Laserstrahls 24 an, in welche der Brennpunkt 52 von der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 weg verschoben ist. Anders ausgedrückt ist der Absolutwert der Brennpunktposition des Laserstrahls 24 einfach die Brennpunktdistanz 64.
Bei dem vorliegend offenbarten Laserschweißverfahren und nun mit Bezugnahme auf 1 - 19, wird eine Laserschweißverbindung 66 (16) in dem Werkstückstapel 10 ausgebildet, indem der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang mehrerer sich überlappender Schweißstrecken voranbewegt wird, so dass die Werkstücke 12, 14 aus Metall an einer vorbestimmten Schweißstelle innerhalb der Schweißregion 16 momentan geschmolzen werden. Zum Ausbilden der Laserschweißverbindung 66 wird der Laserstrahl 24 von dem optischen Laserabtastkopf 42 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels gelenkt. Das resultierende Auftreffen des Laserstrahls 24 auf die Oberseite 20 des Stapels 10 erzeugt ein Schmelzbad 68 aus Metallschmelze innerhalb des Stapels 10, wie in 3 gezeigt ist, das von der Oberseite 20 in Richtung auf die Unterseite 22 in den Stapel 10 eindringt und das anfänglich die Stoßschnittstelle 34 schneiden kann oder auch nicht, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall ausgebildet ist. Tatsächlich kann in dem in 3 gezeigten 2T-Stapel das Schmelzbad 68 aus Metallschmelze den Werkstückstapel 10 teilweise oder vollständig durchdringen. Ein vollständig durchdringendes Schmelzbad 68 aus Metallschmelze dringt vollständig durch den Werkstückstapel 10 hindurch und durchbricht die Unterseite 22 des Stapels 10, wie gezeigt ist, während ein Schmelzbad 68 aus Metallschmelze, das teilweise eindringt, bis zu einer Zwischentiefe zwischen der Ober- und Unterseite 20, 22 eindringt und sich damit nicht bis zu der Unterseite 22 des Stapels 10 erstreckt oder diese durchbricht.
Darüber hinaus weist der Laserstrahl 24 vorzugsweise eine Leistungsdichte auf, die ausreicht, um die Werkstücke 12, 14 aus Metall des Werkstückstapels 10 direkt unter dem Strahlpunkt 44 zu verdampfen. Diese Verdampfungsaktion erzeugt ein Schlüsselloch 70, das auch in 3 dargestellt ist, welches eine Säule aus verdampftem Werkstückmetall ist, die oftmals Plasma enthält. Das Schlüsselloch 70 wird innerhalb des Schmelzbades 68 aus Metallschmelze ausgebildet und übt einen nach außen gerichteten Dampfdruck aus, der ausreicht, um zu verhindern, dass das umgebende Schmelzbad 68 aus Metallschmelze nach innen kollabiert. Und wie das Schmelzbad 68 aus Metallschmelze dringt auch das Schlüsselloch 70 von der Oberseite 20 aus zu der Unterseite 22 hin in den Werkstückstapel 10 ein und es kann anfänglich die Stoßschnittstelle 34 schneiden oder auch nicht, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall ausgebildet ist. Das Schlüsselloch 70 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 68 aus Metallschmelze in den Werkstückstapel 10 ermöglicht wird. Das Schlüsselloch 70 kann vollständig (wie gezeigt) oder teilweise zusammen mit dem Schmelzbad 68 aus Metallschmelze den Werkstückstapel 10 durchdringen. In vielen Fällen genügt eine Leistungsdichte von 0,5 MW/cm² bis 1,5 MW/cm² zum Erzeugen des Schlüssellochs 70.
Nach dem Erzeugen des Schmelzbads 68 aus Metallschmelze und vorzugsweise des Schlüssellochs 70 wird der Laserstrahl 24 - und insbesondere sein Strahlpunkt 44 - entlang einer ersten Schweißstrecke 72 relativ zu der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 in eine erste Richtung 74 voranbewegt, wie in 4 - 5 dargestellt ist. Dieses Voranbewegen des Laserstrahls 24 verschiebt das Schmelzbad 68 aus Metallschmelze und, falls vorhanden, das Schlüsselloch 70 durch den Werkstückstapel 10 hindurch, um eine längliche Schmelzpfütze 76 auszubilden, das eindringendes geschmolzenes Werkstückmaterial enthält. Die längliche Schmelzpfütze 76 dringt vorzugsweise weit genug in den Werkstückstapel 10 ein oder durch diesen hindurch, so dass sie die Stoßschnittstelle 34 schneidet, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall ausgebildet wurde. In 5 beispielsweise ist die längliche Schmelzpfütze 76 so gezeigt, dass sie den Werkstückstapel 10 vollständig durchdringt. In anderen Ausführungsformen jedoch kann die längliche Schmelzpfütze 76 den Werkstückstapel 10 teilweise durchdringen, ohne die Stoßschnittstelle 34 zu schneiden oder sie kann den Werkstückstapel 10 teilweise durchdringen und die Stoßschnittstelle 34 schneiden, was folglich bedeutet, dass die Pfütze 76 die Dicke 121 des ersten Werkstücks 12 aus Metall vollständig durchquert und die Dicke 141 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall nur teilweise durchquert.
Nachdem der Laserstrahl das Verfolgen der ersten Schweißstrecke 72 beendet hat und während sich die längliche Schmelzpfütze 76 immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet (d.h. bevor die längliche Schmelzpfütze 76 vollständig erstarrt ist), wird der Laserstrahl 24 entlang einer zweiten Schweißstrecke 78 in eine zweite Richtung 80 voranbewegt, die entgegengesetzt zu der ersten Richtung 74 orientiert ist, wie in 6 - 7 dargestellt ist. Die zweite Schweißstrecke 78 überlappt sich mit der ersten Schweißstrecke 72, um sicherzustellen, dass der Laserstrahl 24 auf eine Oberseite 82 der länglichen Schmelzpfütze 76 auftrifft und durch die Schmelzpfütze 76 hindurch zurückbefördert wird. Das Schlüsselloch 70 ist während des Voranbewegens des Laserstrahls 24 zurück durch die längliche Schmelzpfütze 76 hindurch entlang der zweiten Schweißstrecke 78 vorzugsweise vorhanden, muss es aber nicht unbedingt sein. Durch das Befördern des Laserstrahls 24 zurück durch die längliche Schmelzpfütze 76 hindurch in die Richtung entgegengesetzt zu derjenigen, in welche die Pfütze 76 angewachsen ist, ist es möglich, die Schmelzpfütze 76 so zu bearbeiten, dass sie eine einheitlichere und konsistentere Verteilung von geschmolzenem Werkstückmetall mit weniger eingeschlossenem und/oder gelöstem Dampf (z.B. Zink, Wasserstoff, Wasser usw.) aufweist, so dass die Schweißverbindung nach dem Erstarren mit einer besseren Festigkeit und anderen Eigenschaften ausgestattet ist. Zudem kann bei Bedarf das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der zweiten Schweißstrecke 78 so gesteuert werden, dass die Schmelzpfütze 76 weiter vergrößert wird, so dass sie die Stoßschnittstelle 34, die zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall ausgebildet ist, angemessen schneidet.
Die erste Schweißstrecke 72 und die zweite Schweißstrecke 78, denen der Laserstrahl 24 folgt, können eine Vielfalt von Geometrien bei der Projektion auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 aus dem Blickwinkel einer Draufsicht annehmen. Die Schweißstrecken 72, 78 können gleich oder voneinander verschieden sein. Wie in 4 und 6 gezeigt ist, kann die erste Schweißstrecke 72 einen Startort 84 und einen Endort 86 aufweisen, wobei der Laserstrahl 24 in die erste Richtung 74 von dem Startort 84 zu dem Endort 86 wandert, während er entlang der ersten Schweißstrecke 72 voranbewegt wird. Analog kann die zweite Schweißstrecke 78 einen Startort 88 und einen Endort 90 aufweisen, wobei der Laserstrahl 24 in die zweite Richtung 80 (entgegengesetzt zu der ersten Richtung 74) von dem Startort 88 zu dem Endort 90 wandert, während er entlang der zweiten Schweißstrecke 78 voranbewegt wird. Der Startort 84 der ersten Schweißstrecke 72 und der Endort 90 der zweiten Schweißstrecke 78 können der gleiche Ort auf der Oberseite 20 sein oder sie können zueinander versetzt sein. Analog können der Startort 88 der zweiten Schweißstrecke 78 und der Endort 86 der ersten Schweißstrecke 72 der gleiche Ort auf der Oberseite 20 sein oder sie können zueinander versetzt sein.
In einer speziellen Ausführungsform kann ein erster fester Ort 92 den Startort 84 der ersten Schweißstrecke 72 und den Endort 90 der zweiten Schweißstrecke 78 bilden, und ein zweiter fester Ort 94 kann den Startort 88 der zweiten Schweißstrecke 78 und den Endort 86 der ersten Schweißstrecke 72 bilden. Auf diese Weise kann der Laserstrahl 24 in die erste Richtung 74 von dem ersten festen Ort 92 zu dem zweiten festen Ort 94 entlang der ersten Schweißstrecke 72 voranbewegt werden, kann dann in die zweite Richtung 80 von dem zweiten festen Ort 94 zurück zu dem ersten festen Ort 92 entlang der zweiten Schweißstrecke 78 voranbewegt werden, und kann dann optional wieder in die erste Richtung 74 entlang einer optionalen dritten Schweißstrecke voranbewegt werden, wie nachstehend weiter erläutert wird. Das Hin- und Herbewegen des Laserstrahls 24 zwischen dem ersten und zweiten festen Ort 92, 94 und entlang der ersten und zweiten Schweißstrecke 72, 78 kann eine praktische Implementierung des offenbarten Verfahrens sein, da die Übertragung des Laserstrahls 24 in den Werkstückstapel 10 hinein nicht unterbrochen werden muss, wenn von der ersten Schweißstrecke 72 auch die zweite Schweißstrecke 78 gewechselt wird, und die Schweißoperation kann im Vergleich mit Implementierungen, bei denen die Start- und/oder Endorte 84, 86, 88, 90 der ersten und zweiten Schweißstrecken 72, 78 auf der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 zueinander versetzt sind, leichter programmiert und gesteuert werden.
Die erste Schweißstrecke 72 ist vorzugsweise eine Schweißstrecke, die seitliche Variationen über und unter einer mittleren Profillinie 96 beinhaltet, welche durch die arithmetische Mitte der Schweißstrecke 72 parallel zu der ersten Richtung 74 verläuft, wie in 8 gezeigt ist. Beispielsweise kann die erste Schweißstrecke 72 eine periodische Wellenform oder eine nicht periodische Wellenform sein. Eine periodische Wellenform ist eine Wellenform, die wiederkehrende individuelle Wellensegmente beinhaltet, die sich in regelmäßigen Intervallen wiederholen und eine nicht periodische Wellenform ist eine Wellenform, die nicht periodisch ist. Einige spezielle Beispiele für geeignete periodische Wellenformen, die als die erste Schweißstrecke 72 verwendet werden können, umfassen eine sinusförmige Wellenform, wie hier in 8 gezeigt ist, sowie diejenigen, die in 9 - 13 gezeigt sind, die eine Sägezahn-Wellenform (9), eine Rechteck-Wellenform (10) und eine Dreieck-Wellenform (11) umfassen, um nur ein paar zu erwähnen. Die erste Schweißstrecke 72 kann auch andere geometrische Formen beinhalten, die ein Band aus einer Reihe von versetzten, sich schneidenden Kreisen, wie in 12 gezeigt ist, oder ein Band aus einer kontinuierlichen Reihe von kreisförmigen oder nicht kreisförmigen Schleifen beinhalten, wie in 13 gezeigt ist. Aufgrund ihrer seitlichen Variation kann die erste Schweißstrecke 72 so dimensioniert und gesteuert werden, dass sie einen Oberflächenbereich 98 aufweist, der einen breiten Streifen der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 abdeckt. Der Oberflächenbereich 98 (der nur in 8 beispielhaft gezeigt ist), der ersten Schweißstrecke 72 ist das Produkt aus einer Längendimension 100 und einer Breitendimension 102 der ersten Schweißstrecke 72. In vielen Fällen, aber nicht unbedingt in allen, kann die Längendimension 100 von 5 mm bis 100 mm reichen und die Breitendimension 102 kann von 0,5 mm bis 10 mm reichen.
Es soll erwähnt werden, dass die längliche Schmelzpfütze 76, die durch Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der ersten Schweißstrecke 72 erzeugt wird, sich in einem „geschmolzenen Zustand“ befindet, solange sie nicht eine vollständige Erstarrung durchlaufen hat. Wenn beispielsweise die Längendimension 100 der ersten Schweißstrecke 72 relativ kurz ist, etwa 15 mm oder weniger und insbesondere 10 mm oder weniger, kann die längliche Schmelzpfütze 76 vollständig aus geschmolzenem Metall bestehen, das sich von dem Startort 84 zu dem Endort 86 erstreckt, und folglich kann der Laserstrahl 24 ausschließlich auf geschmolzenes Metall stoßen, wenn er durch die Schmelzpfütze 76 hindurch zurückbefördert wird, während er entlang der zweiten Schweißstrecke 78 zwischen dem Startort 88 und dem Endort 90 voranbewegt wird. In anderen Szenarien beispielsweise, etwa wenn die Längendimension 100 der ersten Schweißstrecke 72 relativ lang ist, etwa größer als 15 mm, kann die längliche Schmelzpfütze 76 in der Nähe des Startorts 84 der ersten Schweißstrecke 72 mit dem Erstarren beginnen, bevor der Laserstrahl 24 zurückkehrt. Daher kann die Schmelzpfütze 76 teilweise erstarrtes oder halbfestes geschmolzenes Metall beinhalten, das sich von dem Startort 84 der ersten Schweißstrecke 76 aus erstreckt, und sie kann ferner geschmolzenes Metall beinhalten, das sich von dem teilweise erstarrten geschmolzenen Metall zu dem Endort 86 der ersten Schweißstrecke 72 erstreckt. Unter diesen Umständen kann der Laserstrahl 24 zuerst auf geschmolzenes Metall stoßen, gefolgt von teilweise erstarrtem geschmolzenem Metall, wenn er durch die längliche Schmelzpfütze 76 hindurch zurückbefördert wird, während er entlang der zweiten Schweißstrecke 78, zwischen dem Startort 88 und dem Endort 90 voranbewegt wird. In beiden vorstehenden Fällen befindet sich die längliche Schmelzpfütze 76 in einem geschmolzenen Zustand, wenn der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 entlang der zweiten Schweißstrecke 78 voranbewegt wird.
Die zweite Schweißstrecke 78 kann linear sein, wie in 6 gezeigt ist, aber sie kann auch seitliche Variationen über und unter einer mittleren Profillinie beinhalten, etwa jede der Schweißstrecken, die vorstehend mit Bezug auf die erste Schweißstrecke 72 erörtert wurden. Eine lineare Schweißstrecke ist eine, die gerade oder gekrümmt ist, wie zum Beispiel eine gerade Linie, die direkt zwischen dem Startpunkt 88 und dem Endpunkt 90 der zweiten Schweißstrecke 78 über die kürzest mögliche Distanz verläuft, oder eine sanft gebogene Linie, die zwischen dem Startpunkt 88 und dem Endpunkt 90 über eine etwas längere Distanz verläuft. Eine C-förmige Schweißstrecke ist ein geläufiges Beispiel für eine, die einer gebogenen Linie folgt und damit gekrümmt ist. Unabhängig von ihrem geometrischen Profil ist in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen mindestens 80% und vorzugsweise die gesamte zweite Schweißstrecke 78 in dem Oberflächenbereich 98 der ersten Schweißstrecke 72 enthalten. Auf diese Weise ist das meiste der oder die gesamte Energie des Laserstrahls 24 zur Übertragung auf die längliche Schmelzpfütze 76 verfügbar und die Vorteile des Voranbewegens des Laserstrahls 24 auf koordinierte Weise entlang der ersten Schweißstrecke 72 und der zweiten Schweißstrecke 78, von denen einige nachstehend im Detail erörtert werden, kann auf höchst effiziente Weise realisiert werden.
Die Strahleigenschaften des Laserstrahls 24, welche das Leistungsniveau und die Verfahrgeschwindigkeit und die Brennpunktposition des Laserstrahls 24 beinhalten, können während des Voranbewegens entlang sowohl der ersten als auch der zweiten Schweißstrecke 72, 78 angepasst werden, um das gewünschte Endergebnis für diesen speziellen Durchlauf des Laserstrahls 24 als Teil der Gesamtentwicklung der Laserschweißverbindung 66 zu erreichen. Die Strahleigenschaften des Laserstrahls 24 können beim Voranbewegen entlang der ersten Schweißstrecke 72 und der zweiten Schweißstrecke 78 verschieden sein. Wenn das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall beispielsweise Werkstücke aus Stahl sind, kann der Laserstrahl 24 ein Leistungsniveau aufweisen, das von 1,0 kW bis 5,0 kW reicht, und eine Brennpunktposition, die von -50 mm bis -10 mm oder von +10 mm bis +50 mm reicht, während er entlang der ersten Schweißstrecke 72 mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 0,5 m/min bis 50 m/min voranbewegt wird. Dann kann der Laserstrahl 24 nach dem Wechsel von der ersten Schweißstrecke 72 ein Leistungsniveau aufweisen, das von 1,0 kW bis 10 kW reicht, und eine Brennpunktposition, die von -5 mm bis +5 mm reicht, während er entlang der zweiten Schweißstrecke 78 mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 0,5 m/min bis 50 m/min voranbewegt wird. In einem weiteren Beispiel kann der Laserstrahl 24, wenn das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Aluminium oder Magnesium sind, ein Leistungsniveau aufweisen, das von 2,0 kW bis 10 kW reicht, und eine Brennpunktposition, die von -5 mm bis +5 mm reicht, während er entlang der ersten Schweißstrecke 72 mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 5 m/min bis 100 m/min voranbewegt wird. Nach dem Wechsel von der ersten Schweißstrecke 72 kann der Laserstrahl 24 dann ein Leistungsniveau aufweisen, das von 2,0 kW bis 10,0 kW reicht, und eine Brennpunktposition, die von -10 bis +10 reicht, während er entlang der zweiten Schweißstrecke 78 mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 5 m/min bis 50 m/min voranbewegt wird.
Die Vorteile des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang der ersten und zweiten Schweißstrecke 72, 78 können im Kontext einiger spezieller Laserschweißanwendungen besser erläutert werden. Wenn beispielsweise sowohl das erste als auch das zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Stahl sind und eines oder beide Werkstücke aus Stahl eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung beinhalten, besteht die Möglichkeit, dass durch die Wärme des Laserstrahls 24 erzeugte Zinkdämpfe eine Schweißverbindung erzeugen werden, die zu viel Porosität beinhaltet. Das offenbarte Laserschweißverfahren kann diesem Problem entgegenwirken. Insbesondere kann bei einem Werkstückstapel 10, der Werkstücke aus Stahl enthält, das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der ersten Schweißstrecke 72 Zink, das entlang der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 vorhanden sein kann, und zusätzlich sämtliches Zink, das entlang der Stoßschnittstelle 24 und entlang der Unterseite 22 des Werkstückstapels 10 vorhanden sein kann, während der Ausbildung der länglichen Schmelzpfütze 76 sieden und/oder in Zinkoxide umwandeln. Das anschließende Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der zweiten Schweißstrecke 78 durch die längliche Schmelzpfütze 76 hindurch verändert dann das Fluidgeschwindigkeitsfeld innerhalb des geschmolzenen Werkstückmaterials, was wiederum Zinkdämpfe, die in der Schmelzpfütze 76 gefangen sind, stört und deren Austreiben unterstützt. Nachdem der Laserstrahl 24 das Verfolgen der zweiten Schweißstrecke 78 beendet hat, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Schmelzpfütze 76 Zinkdämpfe enthält, und sie weist eine konsistentere Verteilung auf.
Wenn in einem anderen Beispiel sowohl das erste als auch das zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Aluminium sind oder sowohl das erste als auch das zweite Werkstück 12, 14 aus Metall Werkstücke aus Magnesium sind, existiert die Möglichkeit, dass Wasserstoffgas und/oder Wasserdampf in das geschmolzene Werkstückmetall eingeleitet werden kann und schließlich zu einer Schweißverbindung führen kann, die zu viel Porosität beinhaltet. In diesem Fall kann das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der ersten und zweiten Schweißstrecken 72, 78 dazu beitragen, diese gasförmigen Substanzen aus der länglichen Schmelzpfütze 76 im Wesentlichen auf die gleiche Weise zu beseitigen, die vorstehend für die Werkstücke aus Stahl beschrieben ist. Zusätzlich und nun mit Bezugnahme auf 14 - 15 als visuelle Hilfe für die folgende Beschreibung weist der Durchgang des Laserstrahls in eine Richtung von einem Startort 104 zu einem Endort 106 die Tendenz zum Erzeugen einer länglichen Schmelzpfütze auf, die erstarrt, wobei eine Wölbung 108 benachbart zu dem Endort 106 der Strecke des Laserstrahls ist, teilweise aufgrund des thermischen Widerstands der Werkstücke aus Leichtmetall. Eine derartige Wölbung kann als Defekt betrachtet werden und kann speziell bei bestimmten Typen von Aluminium, eine Quelle für den Beginn einer Warmrissbildung sein. Durch Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der ersten und zweiten Schweißstrecken 72, 78, wie für das offenbarte Laserschweißverfahren gefordert ist, wird die längliche Schmelzpfütze 76 einheitlicher verteilt, so dass bei Erstarrung und wie in 15 gezeigt ist, die Wölbung, die für unidirektionale Laserschweißpraktiken typisch ist, beseitigt wird.
Sobald der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 das Verfolgen der ersten und zweiten Schweißstrecke 72, 78 beendet hat, wird der Laserstrahl 24 von dem Schweißort entfernt, indem die Übertragung das Laserstrahls 24 an den Werkstückstapel 10 angehalten wird oder einfach der Laserstrahl 24 außerhalb des Schweißorts neu angeordnet wird. Die resultierende Beendigung der Energie- und Wärmeübertragung ermöglicht, dass die längliche Schmelzpfütze 76 vollständig zu konsolidiertem wiedererstarrtem Werkstückmaterial 110 erstarrt, wie in 16 - 17 gezeigt ist. Die erste Schweißstrecke 72 und die zweite Schweißstrecke 78 sind der Laserschweißverbindung 66 in gestrichelten Linien überlagert, um ihre Beiträge zu der Laserschweißverbindung 66 zu übermitteln. Das konsolidierte, wiedererstarrte Werkstückmaterial 110, das durch den Laserstrahl 24 erhalten wurde, bildet die Laserschweißverbindung 66, die eine Oberseite 112 enthält. Die Laserschweißverbindung 66 erstreckt sich entweder vollständig durch den Werkstückstapel 10 hindurch oder teilweise in diesen hinein, in Abhängigkeit von der Eindringtiefe der vorausgehenden länglichen Schmelzpfütze 76. Das heißt, die Laserschweißverbindung 66 erstreckt sich von dem ersten Werkstück 12 aus Metall aus in das zweite Werkstück 14 aus Metall hinein - oder spezieller von der Oberseite 20 des Stapels 10 zu der Unterseite 22 hin, wobei die Stoßschnittstelle 34 geschnitten wird - um die Werkstücke 12, 14 aus Metall miteinander autogen zu verschweißen.
Das offenbarte Laserschweißverfahren kann zusätzlich die optionale Praxis des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang einer dritten Schweißstrecke 114 beinhalten, um die Oberseite 12 der Laserschweißverbindung 66 glatter zu gestalten, als sie es ansonsten ohne das Implementieren der dritten Schweißstrecke 114 wäre, wie in 18 - 21 veranschaulicht ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Oberseite 112 der Schweißverbindung 66, welche die freiliegende Oberfläche der Verbindung 66 ist, die von der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 umgeben ist, typischerweise die Tendenz aufweist, etwas rau zu sein, zumindest teilweise aufgrund der Turbulenzen, die in der länglichen Schmelzpfütze 76 während des Laserschweißprozesses erzeugt werden und der Störungen, die durch Gase verursacht werden, die aus der Schmelzpfütze 76 ausgetrieben werden. Die Oberseite 112 weist eine Oberflächenrauheit auf, die als mittlere oder arithmetische durchschnittliche Rauheit (Ra) gemessen wird, die in bestimmten Fällen bis zu 200 µm sein kann. Eine übermäßig aufgeraute Oberseite 112 kann mehrere nachteilige Auswirkungen auf das visuelle Erscheinungsbild und/oder die strukturelle Integrität der Laserschweißverbindung 66 aufweisen. Eine raue Oberseite 112 kann die Wahrnehmung einer Verbindung mit schlechter Qualität ergeben, obwohl die Laserschweißverbindung 66 tatsächlich strukturell und funktionell gesund ist. Zudem kann eine raue Oberseite 112 Punkte mit Restbelastungskonzentration erzeugen, die für Risse anfällig sind und insbesondere für Korrosionsbelastungsrisse, wenn die Laserschweißverbindung 66 in einer Korrosionsumgebung einer Zuglast ausgesetzt wird. Des Weiteren kann eine raue Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 Dichtungsstreifen beschädigen, die in nachfolgenden Fertigungsoperationen auf die Verbindung 66 aufgebracht werden.
Das Voranbewegen des Laserstahls 24 entlang der optionalen dritten Schweißstrecke 114 zum Bereitstellen einer glatten Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 kann auf eine von zwei Weisen ausgeführt werden. Bei einer Implementierung, wie in 18 - 19 gezeigt ist, und im Anschluss an das Voranbewegen entlang der zweiten Schweißstrecke 78 kann der Laserstrahl 24 defokussiert werden, um die Größe des Strahlpunkts 44 zu erhöhen, indem die Schnittfläche des Laserstrahls 24 mit einer Ebene, die entlang der Oberseite 20 des Stapels 10 orientiert ist, vergrößert wird. Dies kann erreicht werden, indem die Brennpunktdistanz 52 des Laserstrahls 24 (entweder positiv (+) oder negativ (-)) auf zwischen 20 mm und 50 mm erhöht wird und/oder das Leistungsniveau des Laserstrahls 24 auf zwischen 1,0 kW und 10 kW verringert wird, oder enger gefasst auf zwischen 3,0 kW und 6,0 kW, so dass das Schlüsselloch 70 nicht länger aufrechterhalten werden kann. Nach dem Defokussieren wird der Laserstrahl 24 entlang der dritten Schweißstrecke 114 mit einer Verfahrgeschwindigkeit voranbewegt, die von 10 m/min bis 50 m/min reichen kann, während sich die längliche Schmelzpfütze 76 immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet (d.h. sie ist noch nicht vollständig erstarrt).
Die dritte Schweißstrecke 114 überlappt sich mit der ersten Schweißstrecke 72 und der zweiten Schweißstrecke 78 und folglich bewirkt sie, dass der Laserstrahl 24 auf die Oberseite 82 der länglichen Schmelzpfütze 76 auftrifft, während er in entweder die erste Richtung 74 oder die zweite Richtung 80 noch einmal durch die Schmelzpfütze 76 hindurch befördert wird. Die dritte Schweißstrecke 114 weist vorzugsweise einen Oberflächenbereich 116 auf, der mindestens 90% von und vorzugsweise die gesamte Oberseite 82 der Schmelzpfütze 76 abdeckt. Die dritte Schweißstrecke 114 kann ein beliebiges der vorstehend mit Bezug auf die erste Schweißstrecke 72 beschriebenen geometrischen Profile annehmen, einschließlich der in 18 gezeigten sinusförmigen Wellenform, und ihr Oberflächenbereich 116 kann durch eine Längendimension 118, die von 5 mm bis 100 mm reicht, und durch eine Breitendimension 120, die von 1 mm bis 12 mm reicht, definiert werden. Durch Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der dritten Schweißstrecke 114 wird Wärme in einer oberen Region 122 der länglichen Schmelzpfütze 76 eingeleitet, was wiederum die Zeit verlängert, in der die die obere Region 76 einschließlich der Oberseite 82 der Schmelzpfütze 76 in einem geschmolzenen Zustand bleibt, wie in 19 dargestellt ist. Das Verzögern des Erstarrens der oberen Region 122 der länglichen Schmelzpfütze 76 - im Gegensatz zum Abkühlen und Erstarren unmittelbar nachdem der Laserstrahl 24 das Verfolgen der zweiten Schweißstrecke 78 beendet hat - verteilt Energie erneut entlang der Oberseite 82 der Schmelzpfütze 76 und stellt genügend Zeit bereit, damit die inhärente Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls auf natürliche Weise verursacht, dass die Oberseite 82 sich beruhigt und verflacht, wodurch die Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 besser geglättet wird.
In einer anderen Implementierung, wie in 20 - 21 gezeigt ist, und im Anschluss an das Voranbewegen entlang der zweiten Schweißstrecke 78 wird ermöglicht, dass die längliche Schmelzpfütze 76 vollständig zu der Laserschweißverbindung 66 erstarrt. Nachdem die Laserschweißverbindung mit ihrer Oberseite 112 erhalten wurde, wird der Laserstrahl 24 entlang der dritten Schweißstrecke 114 entweder in die erste Richtung 74 oder in die zweite Richtung 80 voranbewegt, um eine obere Region 124 der Laserschweißverbindung 66, welche die Oberseite 112 der Verbindung 66 beinhaltet, erneut zu schmelzen, gefolgt vom Entfernen des Laserstrahls 24 von dem Schweißort, um zu ermöglichen, dass die erneut geschmolzene obere Region 124 wieder erstarrt. In diesem Szenario überlappt sich die dritte Schweißstrecke 114 mit der ersten Schweißstrecke 72 und der zweiten Schweißstrecke 78 und verursacht folglich, dass der Laserstrahl 24 auf die Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 auftrifft, während er durch die Schweißverbindung 66 hindurch befördert wird. Wenn der Laserstrahl 24 der dritten Schweißstrecke folgt, kann er auf ein Leistungsniveau zwischen 1,0 kW und 10 kW oder enger gefasst zwischen 3,0 kW und 6,0 kW gesetzt werden, und auf eine Brennpunktposition zwischen -50 mm und -20 mm oder zwischen +20 mm und +50 mm, während er mit einer Verfahrgeschwindigkeit voranbewegt wird, die von 10 m/min bis 50 m/min reicht.
Die dritte Schweißstrecke 114 weist in dieser Ausführungsform vorzugsweise einen Oberflächenbereich 126 auf, der zumindest die gesamte Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 abdeckt. Die dritte Schweißstrecke 114 kann jedes der geometrischen Profile annehmen, die vorstehend mit Bezug auf die erste Schweißstrecke 72 beschrieben wurden, und ihr Oberflächenbereich 126 kann durch eine Längendimension 128, die von 5 mm bis 100 mm reicht, und eine Breitendimension 130, die von 1 mm bis 12 mm reicht, definiert werden. Der Oberflächenbereich 126 kann mindestens 90% von und vorzugsweise die gesamte Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 abdecken. Durch erneutes Schmelzen der oberen Region 124 der Laserschweißverbindung 66, nachdem die Verbindung 66 aus der länglichen Schmelzpfütze 76 erstarrt ist, wird die Oberseite 112 der Verbindung 66 neu geformt; das heißt, die Oberseite 112 wird momentan verflüssigt, so dass nach dem Abkühlen die inhärente Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls in dieser Region 124 ermöglicht, dass sich das geschmolzene Metall setzt und verflacht, wodurch die Oberseite 112 der Schweißverbindung 66 mit einem glatteren Oberflächenprofil neu geformt wird. Obwohl die dritte Schweißstrecke 114 vorzugsweise von dem Laserstrahl 24 unmittelbar verfolgt wird, nachdem die längliche Schmelzpfütze 76 erstarrt, ist eine derartig schnelle Aktion nicht unbedingt erforderlich, wodurch eine bestimmte Flexibilität des Prozesses in den Laserschweiß-Gesamtprozess eingeführt wird.
Unabhängig davon, wie der Laserstrahl 24 entlang der optionalen dritten Schweißstrecke 114 voranbewegt wird, um für ein Glätten der Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 zu sorgen, sind die Ergebnisse nahezu gleich. Die Oberseite 112 der Laserschweißverbindung 66 weist nicht nur eine ästhetisch gefälligere Erscheinung auf, als es ansonsten der Fall sein könnte, sondern es wurden auch Restbelastungs-Konzentrationspunkte von der Oberseite 112 der Verbindung 66 entfernt, die für das Einleiten und Ausbreiten von Rissen anfällig sein können, und es ist weniger wahrscheinlich, dass die Verbindung 66 Dichtungsstreifen beschädigen wird, die über oder in der Nähe der Verbindung 66 aufgebracht werden können. In einigen Fällen kann als Ergebnis des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang der optionalen dritten Schweißstrecke eine Oberflächenrauheit (Ra) der Oberseite 66 sein, die kleiner als 15 µm, kleiner als 10 µm, kleiner als 5 µm und sogar kleiner als 1 µm bis hinunter auf 0,1 µm ist. In Kombination mit den Effekten des Voranbewegens des Laserstrahls 24 entlang der ersten und zweiten Schweißstrecken 72, 78, wie vorstehend beschrieben, weist die endgültig erzeugte Laserschweißverbindung 66 eine robuste Gesamtverbindungsstruktur auf, die das erste und zweite Werkstück 12, 14 miteinander autogen verschweißt, mit guter Festigkeit bei Abschäl- und Querspannungen sowie anderen mechanischen Eigenschaften.
1 - 21 wurden im Kontext einer Ausführungsform des Werkstückstapels 10 beschrieben, der zwei sich überlappende Werkstücke 12, 14 aus Metall beinhaltet, die eine einzige Stoßschnittstelle 34 ausbilden. Selbstverständlich kann, wie in 22 - 23 gezeigt ist, das offenbarte Laserschweißverfahren auch an einem Werkstückstapel 10 praktiziert werden, der ein zusätzliches drittes Werkstück 150 aus Metall mit einer Dicke 151 beinhaltet, das sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 aus Metall befindet. Das dritte Werkstück 150 aus Metall, wenn vorhanden, beinhaltet eine dritte Basismetallschicht 152, die (wie gezeigt) ebenfalls mit einer Oberflächenbeschichtung 40 beschichtet sein kann. Das dritte Werkstück 150 aus Metall ist in vielen allgemeinen Hinsichten ähnlich wie das erste und zweite Werkstück 12, 14 aus Metall und folglich trifft die vorstehend offengelegte Beschreibung der ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall (speziell die Zusammensetzung der Basismetallschichten, ihre möglichen Oberflächenoxidbeschichtungen und die Werkstückdicken) vollständig auf das dritte Werkstück 150 aus Metall zu. Die Schweißregion 16 in dieser Ausführungsform des Werkstückstapels 10 ist nun durch die Ausdehnung der gemeinsamen Überlappung der ersten, zweiten und dritten Werkstücke 12, 14, 150 aus Metall definiert.
Als Folge des Stapelns des ersten, zweiten und dritten Werkstücks 12, 14, 150 aus Metall in überlappender Weise, um den Werkstückstapel 10 bereitzustellen, und wie am besten in 22 gezeigt ist, weist das dritte Werkstück 150 aus Metall zwei Stoßflächen auf: eine dritte Stoßfläche 156 und eine vierte Stoßfläche 158. Die dritte Stoßfläche 156 überlappt sich mit der ersten Stoßfläche 28 des ersten Werkstücks 12 aus Metall und liegt dieser gegenüber, und die vierte Stoßfläche 158 überlappt sich mit der zweiten Stoßfläche 32 des zweiten Werkstücks 14 aus Metall und liegt dieser gegenüber. Innerhalb der Schweißregion 16 bilden die sich gegenüberliegenden ersten und dritten Stoßflächen 28, 156 der ersten und dritten Werkstücke 12, 150 aus Metall eine erste Stoßschnittstelle 160, und die sich gegenüberliegenden zweiten und vierten Stoßflächen 32, 158 der zweiten und dritten Werkstücke 14, 150 aus Metall bilden eine zweite Stoßschnittstelle 162. Diese Stoßschnittstellen 160, 162 sind von der gleichen Art und umfassen die gleichen Attribute wie die Stoßschnittstelle 34, die vorstehend mit Bezug auf die in 1 und 3 gezeigte Ausführungsform mit einem 2T-Stapel beschrieben wurde. Folglich weisen in dieser Ausführungsform die Außenflächen 26, 30 der flankierenden ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 aus Metall immer noch voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen und bilden die Oberseite und Unterseite 20, 22 des Werkstückstapels 10.
Das offenbarte Laserschweißverfahren wird auf die gleiche allgemeine Weise wie vorstehend beschrieben praktiziert. Unter Verwendung von 4 als Bezug zur Beschreibung von 22 und unter Anwendung der Visualisierung von 4 für den Moment auf einen 3T-Stapel wird der Laserstrahl 24 von dem optischen Laserabtastkopf 42 auf die Oberseite 20 des Werkstückstapels gelenkt, um das Schmelzbad 168 aus Metallschmelze (22) in dem Stapel 10 zu erzeugen und optional das Schlüsselloch 170 (22). Sowohl das Schmelzbad 168 aus Metallschmelze als auch das Schlüsselloch 170 dringen von der Oberseite 20 in Richtung auf die Unterseite 22 in den Stapel 10 ein. Nach dem Erzeugen des Schmelzbads 168 aus Metallschmelze und vorzugsweise des Schlüssellochs 170 wird der Laserstrahl 124 - und speziell sein Strahlpunkt 44 - entlang der ersten Schweißstrecke 72 relativ zu der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10 in die erste Richtung 74 voranbewegt, wie in 4 und 22 dargestellt ist, und wird dann entlang der zweiten Schweißstrecke 78 in die zweite Richtung 80 voranbewegt, die entgegengesetzt zu der ersten Richtung 72 orientiert ist, wie in 6 veranschaulicht ist. Im Anschluss an das Abschließen der zweiten Schweißstrecke kann der Laserstrahl 24 optional entlang der dritten Schweißstrecke 114 voranbewegt werden, wie in 18 und 20 veranschaulicht ist. Es sei darauf hingewiesen, dass in dieser Ausführungsform der Einfachheit halber wieder auf 4, 6, 18 und 20 Bezug genommen wird, da die Visualisierung in jeder dieser Zeichnungen vom Blickpunkt einer Draufsicht zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen 2T-Stapel gleichermaßen auf einen 3T-Stapel anwendbar ist.
Das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der ersten Schweißstrecke 72, der zweiten Schweißstrecke 78 und optional der dritten Schweißstrecke 114 wird aus dem gleichen Zweck durchgeführt und weist die gleiche Funktionalität wie zuvor auf. Insbesondere verschiebt das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der ersten Schweißstrecke 72 das Schmelzbad 168 aus Metallschmelze und falls vorhanden das Schlüsselloch 170 durch den Werkstückstapel 10 hindurch, um eine längliche Schmelzpfütze 176 auszubilden, die eindringendes geschmolzenes Werkstückmaterial enthält, wie in 22 veranschaulicht ist. Die längliche Schmelzpfütze 176 dringt vorzugsweise weit genug in den Werkstückstapel 10 ein oder durch diesen hindurch, dass sie eine und vorzugsweise (wie gezeigt) beide Stoßschnittstellen 160, 162 schneidet, die zwischen den Werkstücken 12, 14, 150 aus Metall ausgebildet sind. Um die Ausbildung der Schweißverbindung 166 ( 23) zu unterstützen, sind der Oberflächenbereich 98 der ersten Schweißstrecke 72 und der entsprechende breite Streifen der Oberseite 20 des Werkstückstapels 10, der von dem Oberflächenbereich 98 bedeckt ist, vorzugsweise groß genug, dass sie mindestens 80% und vorzugsweise die gesamte zweite Schweißstrecke 78 enthalten. Dies trägt dazu bei, sicherzustellen, dass der Großteil der oder die gesamte Energie des Laserstrahls 24 zum Verschieben der länglichen Schmelzpfütze 176 zur Verfügung steht und dass die Vorteile des Voranbewegens des Laserstrahls 24 auf koordinierte Weise entlang der ersten und zweiten Schweißstrecke 72, 78 auf die beste Weise realisiert werden können.
Nachdem der Laserstrahl 24 das Verfolgen der ersten Schweißstrecke 72 beendet hat, und während sich die längliche Schmelzpfütze 176 immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet (d.h. noch nicht vollständig erstarrt ist), wird der Laserstrahl 24 entlang der zweiten Schweißstrecke 78 in die zweite Richtung 80 voranbewegt, die entgegengesetzt zu der ersten Richtung 74 orientiert ist, wie in 6 veranschaulicht ist. Wie zuvor überlappt sich die zweite Schweißstrecke 78 mit der ersten Schweißstrecke 72, um sicherzustellen, dass der Laserstrahl 24 auf eine Oberseite 182 der länglichen Schmelzpfütze 176 auftrifft und durch die Schmelzpfütze 176 hindurch zurückbefördert wird. Wenn darüber hinaus die längliche Schmelzpfütze 176 nur die erste Stoßschnittstelle 160 nach dem Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der ersten Schweißstrecke 72 schneidet und damit nicht weit genug in den Werkstückstapel 10 eindringt, um die zweite Stoßschnittstelle 162 zu erreichen, dann muss das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der zweiten Schweißstrecke 78 genügend Wärme in die Schmelzpfütze 176 einleiten, um die Pfütze 176 so zu vergrößern, dass sie weiter in den Stapel 10 eindringt und die zweite Stoßschnittstelle 162 schneidet. Durch das Zurückbefördern des Laserstrahls 24 durch die längliche Schmelzpfütze 176 hindurch in die entgegengesetzte Richtung, in welche die Pfütze 176 angewachsen ist, ist es möglich, die Schmelzpfütze 176 wie vorstehend erläutert zu bearbeiten, um die Laserschweißverbindung 66 mit besserer Festigkeit und anderen Eigenschaften auszustatten.
Nachdem der Strahlpunkt 44 des Laserstrahls 24 das Verfolgen der ersten und zweiten Schweißstrecke 72, 78 beendet hat, wird das Übertragen des Laserstrahls 24 angehalten oder der Laserstrahl 24 wird auf andere Weise von dem Schweißort entfernt. Die resultierende Beendigung der Energie- und Wärmeübertragung ermöglicht, dass die längliche Schmelzpfütze 176 schnell abkühlt und zu konsolidiertem, wiedererstarrtem Werkstückmaterial 1110 erstarrt, wie in 23 gezeigt ist. Wie zuvor bildet das konsolidierte wiedererstarrte Werkstückmaterial 1110, das durch den Laserstrahl 24 erhalten wird, die Laserschweißverbindung 166, welche die gleiche grundlegende Konstruktion wie vorstehen beschrieben aufweist, mit der Ausnahme, dass sie sich in den Werkstückstapel 10 hinein von der Oberseite 20 des Stapels 10 aus zu der Unterseite 22 hin erstreckt, wobei sie die erste und zweite Stoßschnittstelle 160, 162 schneidet, um die drei Werkstücke 12, 150, 14 aus Metall miteinander autogen zu verschweißen, statt nur die zwei Werkstücke 12, 14 aus Metall, wie in 17 gezeigt ist. Der Laserstrahl 24 kann außerdem optional entlang der dritten Schweißstrecke 114 voranbewegt werden, um die Oberseite 1112 der Laserschweißverbindung 166 falls gewünscht besser zu glätten, in Übereinstimmung mit einer der vorstehend beschriebenen zwei Implementierungen. Zu diesem Zweck sind die vorstehenden Lehren im Hinblick auf das Voranbewegen des Laserstrahls 24 entlang der dritten Schweißstrecke 1114, wie sie im Hinblick auf den in 18 - 21 gezeigten 2T-Stapel beschrieben sind, gleichermaßen auf einen 3T-Stapel anwendbar und brauchen daher hier nicht in weiterem Detail wiederholt werden.
Die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und spezielle Beispiele sind lediglich beschreibender Natur; sie sollen den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht beschränken. Alle in den angefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe sollen mit ihrer gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verwendet werden, sofern dies nicht in der Beschreibung speziell und eindeutig anders ausgedrückt 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 [0027]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei die sich überlappenden Werkstücke aus Metall mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfassen, das sich mit dem ersten Werkstück aus Metall in einer Schweißregion überlappt, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine Unterseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion bereitstellt, wobei alle der sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium sind; ein Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion gelenkt wird, wobei der Laserstrahl einen Strahlpunkt an der Oberseite des Werkstückstapels aufweist und derart manövrierbar ist, dass der Strahlpunkt relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels bewegt werden kann; und eine Laserschweißverbindung ausgebildet wird, die sich von dem ersten Werkstück aus Metall in das zweite Werkstück aus Metall hinein erstreckt, um die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels miteinander autogen zu verschweißen, indem der Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung voranbewegt wird, um eine längliche Schmelzpfütze auszubilden, und dann der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer zweiten Schweißstrecke in eine zweite Richtung voranbewegt wird, die zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist, während sich die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, und wobei sich die erste Schweißstrecke und die zweite Schweißstrecke so überlappen, dass der Strahlpunkt des Laserstrahls durch die längliche Schmelzpfütze hindurch befördert wird, wenn der Strahlpunkt entlang der zweiten Schweißstrecke voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Metall die Oberseite des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Metall die Unterseite des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei die erste und zweite Stoßfläche des ersten und zweiten Werkstücks aus Metall einander überlappen und einander gegenüberliegen, um eine Stoßschnittstelle auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine erste Stoßfläche aufweist und das zweite Werkstück aus Metall eine Außenfläche und eine zweite Stoßfläche aufweist, wobei die Außenfläche des ersten Werkstücks aus Metall die Oberseite des Werkstückstapels bereitstellt und die Außenfläche des zweiten Werkstücks aus Metall die Unterseite des Werkstückstapels bereitstellt, und wobei der Werkstückstapel ein drittes Werkstück aus Metall umfasst, dass sich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall befindet, wobei das dritte Werkstück aus Metall einander entgegengesetzte dritte und vierte Stoßflächen aufweist, wobei sich die dritte Stoßfläche mit der ersten Stoßfläche des ersten Werkstücks aus Metall überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine erste Stoßschnittstelle auszubilden, und sich die vierte Stoßfläche mit der zweiten Stoßfläche des zweiten Werkstücks aus Metall überlappt und dieser gegenüberliegt, um eine zweite Stoßschnittstelle auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang der ersten Schweißstrecke von einem ersten festen Ort zu einem davon beabstandeten zweiten festen Ort voranbewegt wird und dann entlang der zweiten Schweißstrecke von dem zweiten festen Ort zu dem ersten festen Ort voranbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Schweißstrecke eine mittlere Profillinie und seitliche Variationen über und unter der mittleren Profillinie beinhaltet, wobei die erste Schweißstrecke ferner einen Oberflächenbereich aufweist, der einen breiten Streifen der Oberseite des Werkstückstapels bedeckt, der durch ein Produkt aus einer Längendimension der ersten Schweißstrecke und einer Breitendimension der ersten Schweißstrecke definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Schweißstrecke eine periodische Wellenform ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Schweißstrecke ein Band aus einer Reihe von versetzten sich schneidenden Kreisen oder ein Band aus einer kontinuierlichen Reihe von Schleifen ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Schweißstrecke linear ist und in dem Oberflächenbereich der ersten Schweißstrecke enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ausbilden der Laserschweißverbindung ferner umfasst, dass der Laserstrahl entlang einer dritten Schweißstrecke voranbewegt wird, welche sich sowohl mit der ersten Schweißstrecke als auch der zweiten Schweißstrecke überlappt, um die Laserschweißverbindung mit einer Oberseite bereitzustellen, die eine Oberflächenrauheit (Ra) von 15 µm oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, das umfasst, dass der Laserstrahl entlang der dritten Schweißstrecke voranbewegt wird, ohne dass ein Schlüsselloch vorhanden ist, während die längliche Schmelzpfütze sich immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, so dass der Laserstrahl auf eine Oberseite der länglichen Schmelzpfütze auftrifft und Wärme in eine obere Region der länglichen Schmelzpfütze einleitet, um die Abkühlungsgeschwindigkeit der Oberseite der länglichen Schmelzpfütze zu verlangsamen, so dass nach dem Erstarren die Oberseite der Laserschweißverbindung geglättet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das umfasst, dass der Laserstrahl entlang der dritten Schweißstrecke voranbewegt wird, nachdem die längliche Schmelzpfütze vollständig zu der Laserschweißverbindung erstarrt ist, so dass der Laserstrahl auf die Oberseite der Laserschweißverbindung auftrifft und eine obere Region der Laserschweißverbindung momentan erneut schmelzen lässt, so dass nach dem erneuten Erstarren die Oberseite der Laserschweißverbindung geglättet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei alle Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel Werkstücke aus Stahl sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei mindestens eines der Werkstücke aus Stahl, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, eine zinkbasierte Oberflächenbeschichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei alle Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel Werkstücke aus Aluminium sind.
Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei die sich überlappenden Werkstücke aus Metall mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfassen, das sich in einer Schweißregion mit dem ersten Werkstück aus Metall überlappt, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Oberseite des Werkstückstapels in der Schweißregion bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine Unterseite des Werkstückstapels in der Schweißregion bereitstellt, wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel Werkstücke aus Stahl oder Werkstücke aus Aluminium sind; eine Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben wird, um einen Laserstrahl auf die Oberseite des Werkstückstapels innerhalb der Schweißregion zu lenken, wobei der Laserstrahl einen Strahlpunkt an der Oberseite des Werkstückstapels aufweist; die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben wird, um den Strahlpunkt des Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung voranzubewegen, um eine längliche Schmelzpfütze auszubilden, wobei die erste Schweißstrecke einen Oberflächenbereich aufweist, der einen breiten Streifen der Oberseite des Werkstückstapels abdeckt; die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben wird, um den Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer zweiten Schweißstrecke in eine zweite Richtung voranzubewegen, die entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, während sich die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, so dass der Strahlpunkt des Laserstrahls durch die längliche Schmelzpfütze hindurch zurückbefördert wird, wobei die zweite Schweißstrecke in dem Oberflächenbereich der ersten Schweißstrecke enthalten ist; und der Laserstrahl entfernt wird, um zu ermöglichen, dass die längliche Schmelzpfütze zu einer Laserschweißverbindung erstarrt, die sich von dem ersten Werkstück aus Metall aus in das zweite Werkstück aus Metall hinein erstreckt, um die sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel miteinander autogen zu verschweißen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die in dem Werkstückstapel enthaltenen Werkstücke aus Metall nur das erste und zweite Werkstück aus Metall beinhalten, oder wobei die Werkstücke aus Metall, die in dem Werkstückstapel enthalten sind, ferner ein drittes Werkstück aus Metall beinhalten, das sich in der Schweißregion zwischen dem ersten und zweiten Werkstück aus Metall befindet.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass: die Vorrichtung zum Laserschweißen aus der Ferne betrieben wird, um den Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer dritten Schweißstrecke voranzubewegen, entweder bevor oder nachdem die längliche Schmelzpfütze zu der Laserschweißverbindung erstarrt ist, um für die Laserschweißverbindung eine glatte Oberseite bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Schweißstrecke eine periodische Wellenform ist und die zweite Schweißstrecke linear ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die längliche Schmelzpfütze vergrößert wird, wenn der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang der zweiten Schweißstrecke voranbewegt wird.
Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Werkstückstapel bereitgestellt wird, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält, wobei die sich überlappenden Werkstücke aus Metall mindestens ein erstes Werkstück aus Metall und ein zweites Werkstück aus Metall umfassen, das sich mit dem ersten Werkstück aus Metall in einer Schweißregion überlappt, wobei das erste Werkstück aus Metall eine Oberseite des Werkstückstapels in der Schweißregion bereitstellt und das zweite Werkstück aus Metall eine Unterseite des Werkstückstapels in der Schweißregion bereitstellt, wobei alle sich überlappenden Werkstücke aus Metall in dem Werkstückstapel Werkstücke aus Stahl, Werkstücke aus Aluminium oder Werkstücke aus Magnesium sind; ein Strahlpunkt eines Laserstrahls relativ zu der Oberseite des Werkstückstapels entlang einer ersten Schweißstrecke in eine erste Richtung voranbewegt wird, um eine längliche Schmelzpfütze auszubilden, wobei die erste Schweißstrecke eine mittlere Profillinie und seitliche Variationen über und unter der mittleren Profillinie enthält und ferner einen Oberflächenbereich aufweist, der einen breiten Streifen der Oberseite des Werkstückstapels abdeckt; der Strahlpunkt des Laserstrahls entlang einer zweiten Schweißstrecke in eine zweite Richtung voranbewegt wird, die entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, während sich die längliche Schmelzpfütze immer noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, um den Strahlpunkt durch die längliche Schmelzpfütze hindurch zurückzubefördern, wobei sich die zweite Schweißstrecke mit der ersten Schweißstrecke so überlappt, dass mindestens 80% der zweiten Schweißstrecke in dem Oberflächenbereich der ersten Schweißstrecke enthalten ist; und der Laserstrahl entfernt wird, um zu ermöglichen, dass die längliche Schmelzpfütze vollständig zu der Laserschweißverbindung erstarrt, die sich von dem ersten Werkstück aus Metall aus in das zweite Werkstück aus Metall hinein erstreckt, um die sich überlappenden Werkstücke aus Metall des Werkstückstapels miteinander autogen zu verschweißen, wobei die Laserschweißverbindung eine Oberseite aufweist, die eine Oberflächenrauheit (Ra) von 10 µm oder weniger aufweist.